СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАРБОКСИАЛКИЛИНУЛИНА
METHOD FOR PREPARING CARBOXYALKYLINULINE

Настоящее изобретение относится к способу получения карбоксиалкилинулина посредством взаимодействия инулина и монохлоркарбоновой кислоты преимущественно в щелочных условиях. Особенностью изобретения является то, что способ согласно настоящему изобретению приставляет собой многостадийный процесс, включающий диспергирование в водной среде от приблизительно 25 до приблизительно 150 молярных % галогеналкилкарбоксилата, определенных по отношению к количеству молей фрагментов моносахарида в инулине, последующее добавление инулина к среде, содержащей галогеналкилкарбоксилат с получением суспензии, имеющей рН в диапазоне от 5 до 8 и содержащей от приблизительно 25% до приблизительно 70% инулина, определенных по отношению к количеству воды (100%) в суспензии. Полученную таким образом суспензию затем нагревают до температуры от приблизительно 60°С до приблизительно 90°С с одновременным добавлением дополнительного количества галогеналкилкарбоксилата (с получением мольного соотношения галогеналкилкарбоксилат : инулин от 1 до 5) и гидроксида щелочного металла в количестве, эквимолярном общему количеству галогеналкилкарбоксилата, плюс дополнительное количество гидроксида щелочного металла от 10 до 50 молярных %, определенных по отношению к количеству молей фрагментов моносахарида в инулине (100%) с получением реакционной смеси, имеющей рН в диапазоне от 8 до 12, значение которого измерено при температуре реакционной смеси (60°С-90°С). Реакцию осуществляют при температуре реакционной среды после добавления всех реагентов в течение периода времени до 90 мин. Далее полученный карбоксиалкилинулин выделяют известным способом.
При поддержании контролируемого низкого уровня вязкости среды в течение всей реакции, в частности в присутствии больших количеств инулина, способ согласно настоящему изобретению осуществляется плавно и постепенно, что позволяет в значительной степени увеличить скорость реакции и выход продукта реакции.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Предшествующий уровень техники, относящийся к карбоксиалкилинулину как таковому и способам его получения, является в известной степени значительным и разнообразным. Соли карбоксиалкилинулина известны уже давно (см., например, чешский патент №90980 от 1958/1959). В патентном документе ЕР 0733073 раскрыт способ получения карбоксиметилинулина посредством взаимодействия инулина и хлорацетата натрия, которое осуществляется в щелочных условиях. Трудности осуществления этого способа, в частности, заключаются в значительной вязкости среды, которая приводит к низкой конверсии и нежелательным побочным продуктам. Chien (J. Immunol. Methods 26 (1979) 39-46) раскрывает способ получения карбоксиметилинулина (КМИ) с использованием шестикратного молярного избытка хлорацетата натрия в разбавленном растворе щелочи и при относительно низкой температуре. Полученный таким образом КМИ имеет очень низкую степень замещения, и указанный способ является трудоемким и экономически неконкурентоспособным. Известные способы получения КМИ являются экономически несовершенными и не могут быть использованы для получения карбоксиалкилинулинов с достаточным выходом, чистотой и степенью конверсии. Основной трудностью при разработке приемлемого способа получения является вязкость, в особенности гелеобразование.
Поэтому основная задача настоящего изобретения заключается в предложении способа получения карбоксиалкилинулинов с приемлемым выходом, чистотой и степенью конверсии, имеющих степень замещения (СЗ) большую, чем приблизительно 1,5 до приблизительно 3. Другой задачей настоящего изобретения является предложение способа получения карбоксиалкилинулина, который, несмотря на то, что он проводится в присутствии больших количеств инулина, не подвержен влиянию вязкости, а в особенности гелеобразованию, - проблемы, которая, как известно, уменьшает степень завершенности реакции и может приводить к образованию нежелательных побочных продуктов, что в свою очередь снижает выход карбоксиалкилинулина. Теперь указанные выше и другие задачи могут быть решены с помощью узкоопределенного многостадийного способа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение основано на открытии, состоящем в том, что карбоксиалкилинулины могут быть получены в щелочных условиях и характеризуются тем, что:
(а) от 25 до 150 молярных %, определенных по отношению к количеству молей фрагментов моносахарида в инулине (100%), Х-галогеналкилкарбоксилата, где галоген выбран из хлора, брома или йода, алкильная цепочка содержит от 1 до 5 атомов углерода и Х представляет собой ион щелочного металла, выбранного из натрия или калия; диспергируют в водной среде;
(б) добавляют и диспергируют в среде, содержащей галогеналкилкарбоксилат, полученной на стадии (а), инулин с получением суспензии, имеющей значение рН в диапазоне от 5 до 8, измеренное при температуре суспензии, составляющей от 20°С до 70°С, причем суспензия содержит от приблизительно от 25 мас.% до приблизительно 70 мас.% инулина, определенных по отношению к количеству воды (100%) в суспензии;
(в) суспензию, полученную на стадии (б), нагревают до температуры от приблизительно 60°С до приблизительно 90°С с последующим одновременным добавлением дополнительного количества галогеналкилкарбоксилата (с получением мольного соотношения галогеналкилкарбоксилат : инулин от 1 до 5) и гидроксида щелочного металла, выбранного из гидроксида натрия и гидроксида калия в количестве, эквимолярном общему количеству галогеналкилкарбоксилата плюс дополнительное количество гидроксида щелочного металла от 10 до 50 молярных %, определенных по отношению к количеству молей фрагментов моносахарида в инулине (100%), с получением реакционной смеси, имеющей значение рН в диапазоне от 8 до 12, измеренное при температуре реакционной смеси (60°С-90°С);
(г) после добавления всех реагентов осуществляют реакцию в течение периода времени до приблизительно 90 мин при температуре реакционной среды; и
(д) выделяют карбоксиалкилинулин известным способом.
СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ
ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения мольное соотношение галогеналкилкарбоксилат : инулин находится в диапазоне от 1,5 до 4,5 и после добавления всех реагентов реакция продолжается в течение периода времени от 20 до 60 мин. Алкильный фрагмент карбоксиалкилинулина предпочтительно представляет собой цепочку, имеющую от 1 до 3 атомов углерода, и наиболее предпочтительно алкильный фрагмент является метилом.
Термин «%» или «процент», как он использован в настоящем описании и если не указано иное, обозначает «массовый процент» или «мас.%». Термины «фруктан» и «инулин», если не указано иное, являются взаимозаменяемыми. Термины «дисперсия» и «раствор» являются взаимозаменяемыми и означают смешанные дисперсии/растворы или, возможно, индивидуальные растворы или дисперсии.
Настоящее изобретение относится к способу получения карбоксиалкилинулина. Алкильный фрагмент, как правило, представляет собой цепочку, имеющую от 1 до 5 атомов углерода, более предпочтительно от 1 до 3 атомов углерода, наиболее предпочтительно алкильный фрагмент является метилом.
Реакционную среду (а) получают посредством диспергирования в водной среде от 25 до 150 молярных %, предпочтительно от 70 до 100 молярных %, определенных по отношению к количеству молей фрагментов моносахарида в инулине (100%), Х-галогеналкилкарбоксилата, причем галоген выбран из хлора, брома или йода, алкильная цепочка содержит от 1 до 5 атомов углерода и Х представляет собой ион щелочного металла, выбранный из натрия или калия; затем добавляют и диспергируют в среде, содержащей карбоксилат, полученной на стадии (а), инулин с получением суспензии, имеющей рН в диапазоне от 5 до 8, предпочтительно в диапазоне от 6 до 8, измеренное при температуре суспензии, составляющей от 20°С до 70°С, причем суспензия содержит от приблизительно от 25 мас.% до приблизительно 70 мас.%, предпочтительно от приблизительно 40 мас.% до 60 мас.% инулина, определенных по отношению к количеству воды (100%) в суспензии.
Фруктаны представляют собой олиго- и полисахариды, состоящие в основном из фрагментов ангидрофруктозы. Фруктаны могут иметь полидисперсное молекулярно-массовое распределение и могут представлять собой разветвленные или неразветвленные цепи. Предпочтительно фруктаны по большей части содержат β-2,1 связи. Фруктаны могут представлять собой продукты, полученные непосредственно из источников растительного происхождения или других источников, и продукты, в которых средняя длина цепи была модифицирована, увеличена или уменьшена посредством фракционирования, ферментативного синтеза или гидролиза. Фруктаны имеют среднюю длину цепи (степень полимеризации СП) от, по меньшей мере, 3 до приблизительно 1000. Предпочтительно, чтобы средняя длина цепи составляла от 3 до 60, в частности от 5 до 30 фрагментов моносахарида. Предпочтительный для применения инулин представляет собой β-2,1-фруктан или модифицированный инулин. Модифицированные фруктаны, которые могут быть применимы в способе настоящего изобретения, могут представлять собой инулины с ферментативно увеличенной длиной цепи, продукты гидролиза фруктана, имеющие короткие цепочки, и фракционированные продукты, имеющие цепочку модифицированной длины. Фракционирование инулинов может быть осуществлено, например, посредством известных способов, включая низкотемпературную кристаллизацию (см. WO 94/01849), колоночную хроматографию (см. WO 94/12541), фильтрацию через мембрану (см. ЕР-А-0440074, ЕР-А-0627490) или селективное осаждение спиртом. Гидролиз с получением фруктанов с более короткой цепочкой может быть осуществлен, например, ферментативно (с помощью фермента эндоинсулазы), химически (в водной и кислой среде) или посредством гетерогенного катализа (с помощью кислой ион-обменной смолы). В качестве приемлемых исходных материалов могут быть использованы фруктаны с уменьшенной, окисленной гидроалкилированной и/или поперечно-сшитой цепочкой.
Водная среда, в которой на стадии (а) диспергируют X-галогеналкилкарбоксилат, может представлять собой воду или водную дисперсию, содержащую до 35%, в предпочтительном варианте осуществления изобретения от приблизительно 10% до приблизительно 30% инулина (определенных по отношению к водной среде). Применение водных растворов инулина в качестве водной среды на стадии (а) может зависеть от исходного инулина, который может быть приготовлен в виде раствора.
Далее суспензию (б) нагревают до температуры в диапазоне от приблизительно 60°С до приблизительно 90°С, предпочтительно от приблизительно 60°С до приблизительно 70°С, затем одновременно добавляют дополнительное количество галогеналкилкарбоксилата (с получением мольного соотношения галогеналкилкарбоксилат : инулин от 1,0 до 5,0, предпочтительно от 1,5 до 4,5) и гидроксид щелочного металла, выбранный из гидроксида натрия и гидроксида калия в количестве, эквимолярном общему количеству галогеналкилкарбоксилата плюс дополнительное количество гидроксида щелочного металла от 10 до 50 молярных %, определенных по отношению к количеству молей фрагментов моносахарида в инулине (100%), с получением реакционной смеси, имеющей рН в диапазоне от 8 до 12, предпочтительно от 9,5 до 11,5, где значение рН измерено при температуре реакционной смеси (60°С-90°С).
После добавления всех реагентов/ингридиентов на стадии (в) осуществляют реакцию в течение периода времени до 90 мин, предпочтительно от 20 до 60 мин.
Значение рН суспензии на стадии (б), измеренное при температуре от 20°С до 70°С, находится в диапазоне от 5 до 8, предпочтительно от 6 до 8, поскольку при значении рН меньше 5 может произойти нежелательное разрушение инулина, а при значении рН больше 8 может произойти гидролиз галогеналкилкарбоксилата.
Продукт реакции - карбоксиалкилинулин может быть выделен как таковой или очищен с помощью традиционных способов, хорошо известных в данной области техники. Приемлемые примеры таких способов очистки включают нанофильтрацию.
Приведенные ниже Примеры иллюстрируют настоящее изобретение и демонстрируют преимущества способа согласно изобретению.
ОПИСАНИЕ ПРИМЕРОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Пример 1
Инулин (500 г) диспергируют при перемешивании в водном растворе монохлорацетата натрия (МХАМ, 360 г, воды 500 г). Полученную дисперсию при перемешивании постепенно нагревают до 70°С. Вязкость измеряют при различных значениях температуры с использованием вискозиметра Brooktield, зонд LV2, давление 60 мм рт. ст. Сравнительный эксперимент проводят посредством добавления инулина (500 г) в воду (500 г). Сравнение значений вязкости приведено ниже.
Температура (°С)
Вязкость (η) согласно примеру
Сравнительная вязкость (η)
20
533
паста
30
288
паста
40
154
более чем 16000
50
101
10000
60
85
4000
70
64
1000
Значение вязкости приведено в мПа/с.
Указанные выше данные демонстрируют практически постоянное значение вязкости, которое является благоприятным для реакции в соответствии с настоящим изобретением, по сравнению со значением вязкости реакционной смеси, полученной простым смешением, причем такие смеси имеют очень низкие, как правило, неприемлемые скорости конверсии.
Пример 2
Инулин (150 г) добавляют к водному раствору монохлорацетата натрия (МХАМ 100 г, воды 200 г) при комнатной температуре и перемешивании.
Полученную суспензию затем нагревают до 70°С. К реакционной смеси, имеющей температуру 70°С, постепенно добавляют водный раствор гидроксида натрия (50%, 215 г) и МХАН (200 г). После того как все реагенты добавлены, реакцию продолжают в течение 90 мин при температуре реакционной смеси. Карбоксиметилинулин (СЗ 1,9, 765 г, 29% активной соли) получают с выходом 75%.
Пример 3
Инулин (150 г) добавляют к водному раствору монохлорацетата натрия (МХАН 80 г, воды 112 г) при комнатной температуре и перемешивании. Полученную суспензию затем нагревают до 75°С. К реакционной смеси, имеющей температуру 75°С, постепенно добавляют водный раствор гидроксида натрия (50%, 306 г) и МХАН (347 г). После того как все реагенты добавлены, реакцию продолжают в течение 90 мин при температуре реакционной смеси. Карбоксиметилинулин (СЗ 2,5, 838 г, 34% активной соли) получают с выходом 66%.
Пример 4
Монохлорацетат натрия (300 г) добавляют к суспензии (650 г), содержащей 30 мас.% инулина, при 60°С и перемешивании. Затем порошок инулина (360 г) добавляют к суспензии до тех пор, пока концентрация инулина не достигнет 55% по отношению к количеству воды в суспензии. Реакционную смесь затем нагревают до 80°С и добавляют один эквивалент гидроксида натрия (50% водный раствор 200 г), определенный по отношению к количеству МХАН в реакционной смеси, при этом температуру реакционной смеси поддерживают на уровне 80°С. Затем добавляют МХАН (425 г) вместе с водным раствором гидроксида натрия (50%, 336 г). После того как все реагенты добавлены, реакцию продолжают в течение 90 мин при температуре реакционной смеси. Карбоксиметилинулин (СЗ 1, 16, 2270 г, 37% активной соли) получают с выходом 81%.