Title:
Verfahren zur Epimerisierung von Sacchariden
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Epimerisierung von Sacchariden durch Erhitzen eines in einem Lösungsmittel gelösten Saccharids in Gegenwart eines Metall-haltigen Katalysators, wobei man eine Aldose mit einem festen metall-organischen Katalysator kontaktiert, wobei der metall-organische Katalysator ein vernetztes, poröses Polymer ausbildet, welches Metallatome M enthält, die durch jeweils zwei bis vier organische Linkermoleküle L kovalent miteinander verbunden sind, wobei L ein substituierter oder unsubstituierter, acyclischer oder cyclischer Alkylenrest oder ein substituierter oder unsubstituierter Arylenrest mit 5 bis 50 C-Atomen ist, und wobei der metall-organische Katalysator wenigstens eine Hydroxygruppe an wenigstens einem Metallatom M aufweist.




Inventors:
Rose, Marcus (52074, Aachen, DE)
Delidovich, Irina (52074, Aachen, DE)
Palkovits, Regina (52074, Aachen, DE)
Application Number:
DE102016116121A
Publication Date:
03/01/2018
Filing Date:
08/30/2016
Assignee:
Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule (RWTH) Aachen, 52062 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE3714473A1N/A1988-11-10



Other References:
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GUNTHER, Willliam R. ; DUONG, Quynh ; ROMAN-LESHKOV, Yuriy : Catalytic consequences of borate complexation and pH on the epimerization of l-arabinose to l-ribose in water catalyzed by Sn-Betazeolite with borate salts. In: Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Vol. 379, 2013, S. 294-302. - ISSN 0304-5102
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Attorney, Agent or Firm:
Michalski Hüttermann & Partner Patentanwälte mbB, 40221, Düsseldorf, DE
Claims:
1. Verfahren zur Epimerisierung von Sacchariden durch Erhitzen eines in einem Lösungsmittel gelösten Saccharids in Gegenwart eines Metall-haltigen Katalysators, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Aldose mit einem festen metall-organischen Katalysator kontaktiert, wobei der metall-organische Katalysator ein vernetztes, poröses Polymer ausbildet, welches Metallatome M enthält, die durch jeweils zwei bis vier organische Linkermoleküle L kovalent miteinander verbunden sind, wobei L ein substituierter oder unsubstituierter, acyclischer oder cyclischer Alkylenrest oder ein substituierter oder unsubstituierter Arylenrest mit 5 bis 50 C-Atomen ist, und wobei der metall-organische Katalysator wenigstens eine Hydroxygruppe an wenigstens einem Metallatom M aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallatome M Lewissaure Metalle sind, insbesondere ausgewählt aus der Gruppe umfassend Sn, Ti, Al und/oder Ge, vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Sn, Ti, und/oder Al, wobei M bevorzugt Sn ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Linkermoleküle L ausgewählt sind aus substituierten oder unsubstituierten Arylenresten, die 1 bis 8 aromatische oder hereteroaromatische Ringe enthalten, wobei L vorzugsweise ausgewählt ist aus Arylenresten, die mindestens eine substituierte oder unsubstituierte Phenylgruppe enthalten.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallatome durch jeweils zwei bis vier organische Linkermoleküle L ausgewählt aus den Verbindungen gemäß folgenden Verbindungen der Formeln (1) bis (4): wobei X jeweils unabhängig voneinander ausgewählt ist aus Wasserstoff, Halogen, substituiertem oder unsubstituiertem C1-5-Alkyl, C2-5-Alkenyl, C2-5-Alkinyl, C1-5-Alkoxy, mit bevorzugt 1 bis 4 C-Atomen, kovalent miteinander verbunden.

5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der metall-organische Katalysator Struktureinheiten gemäß der folgenden allgemeinen Formeln (9) oder (10) umfasst:

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel eine wässrige Lösung ist.

7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wässrige Lösung Alkohol enthält, vorzugsweise im Bereich von ≥ 15 Vol.-% bis ≤ 50 Vol.-%, bevorzugt im Bereich von ≥ 30 Vol.-% bis ≤ 50 Vol.-%, insbesondere im Bereich von ≥ 40 Vol.-% bis ≤ 50 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Lösung.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Alkohol ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Methanol, Ethanol, Propanol, 2-Propanol, 2-Butanol und/oder 2-Methyl-2-propanol.

9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Epimerisierung bei einer Temperatur im Bereich von ≥ 40°C bis ≤ 140°C, bevorzugt im Bereich von ≥ 60°C bis ≤ 120°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von ≥ 80°C bis ≤ 100°C, durchführt.

10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aldose ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Glucose, Mannose, Xylose, Lyxose, Arabinose, Ribose, Galactose und/oder Talose.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Epimerisierung von Sacchariden.

Die Epimerisierung von Sacchariden, also Zuckern unterschiedlicher Art, ist eine einfache und effiziente Methode um seltene und teurere Zucker aus einfachen, gut verfügbaren Zuckern wie Glucose herzustellen. Zucker stellen den größten Anteil der aus Biomasse erhältlichen organischen Verbindungen, und die Verwertung und Umwandlung häufig vorkommender Zucker erfährt derzeit großes wirtschaftliches Interesse. Biopolymere dienen als Quelle diverser Aldosen und 2-Ketosen. Sieben Monosaccharide, D-Glucose, D-Fruktose, D-Xylose, L-Arabinose, D-Ribose, D-Mannose und D-Galaktose, überwiegend jedoch deutlich, wobei D-Glucose den häufigsten Baustein pflanzlicher Biomasse darstellt. Die Epimerisierung aus Biomasse erhältlicher Monosaccharide am C2-Atom führt zu seltenen Monosacchariden mit interessanten Eigenschaften. So sind beispielsweise D-Lyxose, D-Arabinose und D-Talose zur Synthese von Antitumormitteln verwendbar.

Die Anzahl verfügbarer Katalysatoren für die selektive Epimerisierung von Aldosen ist äußerst begrenzt. Üblicherweise werden Enzyme zur enantioselektiven Umwandlung organischer Verbindungen verwendet. Biotechnologische Verfahren zur Epimerisierung sind jedoch oft sehr teuer, da die Epimerase-Enzyme jeweils nur für ausgewählte Substrate und oft nicht für freie Zucker eingesetzt werden können. Insbesondere sind Enzyme für die Epimerisierung am C2-Atom nicht effizient, da das Aldosemolekül zunächst mit einer Phosphat- oder Nukleotidgruppe aktiviert werden muss. Lösliche Metallverbindungen sind ebenfalls für die Epimerisierung von Aldosen verwendbar. Zwar ist die Calcium-katalysierte Epimerisierung seit dem Jahr 1936 bekannt, dennoch ist die Anzahl an verwendbaren Chemokatalysatoren beschränkt. Die durch Metallionen katalysierte Epimerisierung verläuft über eine Umstrukturierung der Kohlenstoffbindungen, wobei die Bindung vom C3-Kohlenstoff zum C2-Kohlenstoff und zum C1-Kohlenstoff verschoben wird, wodurch eine invertierte Konfiguration am C2-Kohlenstoff möglich wird. Obwohl eine Epimerisierung über Komplexbildung mit Calcium- oder Nickelionen unter milden Bedingungen abläuft, benötigt diese einen bezogen auf das Substrat äquimolaren oder noch höheren Anteil an komplexbildendem Metall.

Industriell verfügbare und derzeit verwendete Katalysatoren sind zumeist lösliche, molekulare Mo(VI)-Verbindungen, die ebenfalls eine Epimerisierung unter milden Bedingungen erlauben. Diese lassen sich jedoch schlecht abtrennen und rezyklisieren. Daher wurden Anstrengungen unternommen, feste Katalysator-Systeme auf Basis von Molybdän(VI) zu entwickeln, um kontinuierliche Verfahren zu ermöglichen, beispielsweise mit Molybdän(VI)-Verbindungen beladene basische Ionenaustauscher-Harze. Zur Verbesserung der Selektivität werden vielfach Borverbindungen im Überschuss zusetzt. Der Zusatz von Borsäureverbindungen ist jedoch für technische Verfahren kaum geeignet, da die Borsäure nur schlecht wieder abgetrennt werden kann. Aus der Produktmischung kann Borsäure kaum auf eine für die Weiterverarbeitung des gewünschten Epimerisierungsproduktes tolerierbare Menge gesenkt werden, ohne dass dieses mit entfernt wird, so dass die Gesamtausbeute mit jeder Maßnahme zur Abtrennung der Borsäure stark abfällt. Auch kann nicht umgesetztes Saccharid aus borsäurehaltiger Lösung nur unvollständig und unter Verlusten abgetrennt werden. Auch die chromatographische Abtrennung der Borsäure ist schwierig. Die Schrift DE 3714473 offenbart eine Fortbildung eines kontinuierlichen Verfahrens zur Epimierisierung durch Erhitzen von in einem Lösungsmittel gelöstem Zucker in Gegenwart eines mit einer Molybdän(VI)-Verbindung beladenen basischen Anionenaustauschers, das in Abwesenheit nennenswerter Mengen an Borsäureverbindung abläuft. Langzeittests zeigen zudem, dass die Aktivität der festen Molybdän(VI)-Katalysatoren kontinuierlich abnimmt.

In Verbindung mit der Verwendung von Boratsalzen ist auch eine Verwendung von Zinnsilikaten mit β-Zeolith-Struktur zur Epimerisierung von Zuckern bekannt. So offenbaren Gunther, W. R. et al. in Nature Communications 3, 1109, 2012, die Verwendung von Sn-β-Zeolith und Natriumborat der Formel Na2[B4O5(OH)4]·8H2O. Ohne Zusatz von Boratsalzen ist jedoch die Isomerisierung zu Ketosen der dominierende Reaktionsweg.

Daher besteht ein Bedarf an alternativen Katalysatoren und Verfahren für die Epimerisierung von Sacchariden. Der vorliegenden Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, dass mindestens einen der vorgenannten Nachteile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere lag der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren bereit zu stellen, das für eine technische Epimerisierung von Aldosen verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Epimerisierung von Sacchariden durch Erhitzen eines in einem Lösungsmittel gelösten Saccharids in Gegenwart eines Metall-haltigen Katalysators, wobei man eine Aldose mit einem festen metall-organischen Katalysator kontaktiert, wobei der metall-organische Katalysator ein vernetztes, poröses Polymer ausbildet, welches Metallatome M enthält, die durch jeweils zwei bis vier organische Linkermoleküle L kovalent miteinander verbunden sind, wobei L ein substituierter oder unsubstituierter, acyclischer oder cyclischer Alkylenrest oder ein substituierter oder unsubstituierter Arylenrest mit 5 bis 50 C-Atomen ist, und wobei der metall-organische Katalysator wenigstens eine Hydroxygruppe an wenigstens einem Metallatom M aufweist.

Überraschend wurde gefunden, dass das erfindungsgemäße Verfahren die Epimiersierung von Zuckern wie Glucose zu Mannose, Xylose zu Lyxose und Ribose zu Arabinose über feste metall-organische Katalysatoren mit hoher Selektivität erlaubt. Insbesondere Zinn-basierte organische poröse Polymere, die eine Zinn-Hydroxygruppe aufweisen, haben sich als effizient herausgestellt und zeigten eine hohe katalytische Aktivität und Selektivität für die Epimerisierung von Aldosen am C2-Kohlenstoff. Als feste Katalysatoren sind diese durch die leichte Abtrennbarkeit und Rezyklisierbarkeit für eine weitere technische und großtechnische Prozessentwicklung auf Basis heterogener Katalysatoren zur Epimerisierung unterschiedlicher Zucker gut geeignet. Hierdurch werden zum einen wirtschaftliche Verfahren zur Herstellung begehrter seltener Zucker ermöglicht. So erlaubt das chemokatalytische Verfahren beispielsweise auf Basis Zinn-basierter fester Katalysatoren die Herstellung verschiedener Zucker, die derzeit überwiegend über biotechnologische Verfahren hergestellt werden, deutlich effizienter und damit deutlich günstiger. Weiter können neue erneuerbarer Rohstoffe zur stofflichen Nutzung und damit neue Märkte erschlossen werden.

Der Begriff „Saccharid“ umfasst im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere die im engeren Sinne als „Zucker“ bezeichneten Monosaccharide, Disaccharide und Oligosaccharide. Unter dem Begriff „Aldose“ wird ein Monosaccharid verstanden, das die Carbonylgruppe am ersten Kohlenstoffatom, üblicherweise als C1 bezeichnet, also in endständiger Position, trägt.

Bevorzugt sind die Metallatome M Lewis-saure Metalle. Diese können die gewünschte Epimerisierung der Saccharide katalysieren. Insbesondere sind die Metallatome M ausgewählt aus der Gruppe umfassend Sn, Ti, Al und/oder Ge. Diese können stabile metall-organische Polymere ausbilden. Vorzugsweise sind die Metallatome M ausgewählt aus der Gruppe umfassend Sn, Ti und/oder Al. Insbesondere Sn, Ti und Al können eine gute katalytische Wirkung bei der Epimerisierung der Saccharide bewirken.

In besonders bevorzugten Ausführungsformen ist das Metall Zinn (Sn). Insbesondere erfindungsgemäße Zinn-basierte Polymere zeigen eine hohe katalytische Aktivität und Selektivität für die Epimerisierung von Aldosen. So überwog bei der Verwendung von Zinn-basierten Polymeren in allen Experimenten der Anteil der durch Epimerisierung gebildeten Aldose den der korrespondierenden, durch Isomerisierung gebildeten Ketose. Weiterhin wurde bei der Verwendung von Zinn-basierten Polymeren kein Auswaschen des Metalls in die Reaktionslösung beobachtet. Insbesondere Zinn eröffnet somit die Möglichkeit einer Alternative für die weithin in der technischen Zuckerchemie genutzten Molybdän-Katalysatoren. Ein Verfahren zur Epimerisierung von Sacchariden mit festen zinn-organischen Katalysatoren ist daher besonders bevorzugt.

Der metall-organische Katalysator weist wenigstens an einem Metallatom eine Hydroxygruppe auf, insbesondere eine an ein Metallatom gebunden Hydroxygruppe. Ohne auf eine bestimmte Theorie festgelegt zu sein, wird angenommen, dass die an das Metall gebundene Hydroxygruppe an der katalytischen Aktivität beteiligt ist, während die hydrophoben organischen Linker in wässriger Lösung einen Schutz des katalytischen Zentrums vor Wassermolekülen zur Verfügung stellen können. Vorzugsweise weist ein Metallatom eine Hydroxygruppe auf, bevorzugt jedoch nicht mehr als eine Hydroxygruppe. Die weiteren im metall-organischen Katalysator enthaltenen Metallatome können ebenfalls eine Hydroxygruppe aufweisen. Vorzugsweise weist der metall-organische Katalysator an einzelnen oder einigen Metallatomen eine Hydroxygruppe auf.

Der metall-organische Katalysator bildet ein vernetztes, poröses Polymer aus. Hierbei sind die Metallatome M durch jeweils zwei bis vier organische Linkermoleküle L kovalent miteinander verbunden. Die kovalente Bindung zwischen den Metallatomen und den Kohlenstoffatomen kann hierbei mehr oder weniger polar ausgebildet sein. Ein Linkermolekül L kann ein substituierter oder unsubstituierter, acyclischer oder cyclischer Alkylenrest mit 5 bis 50 C-Atomen oder ein substituierter oder unsubstituierter Arylenrest mit 5 bis 50 C-Atomen sein. Diese können in vorteilhafter Weise hochvernetzte, poröses Polymere ausbilden. Die Linkermoleküle L können substituierte oder unsubstituierte cyclische Alkylenreste mit 5 bis 24 C-Atomen sein. Bevorzugt sind die Linkermoleküle L substituierte oder unsubstituierte Arylenreste mit 6 bis 48 C-Atomen, insbesondere 6 bis 24 C-Atomen, wobei der Arylenrest bevorzugt mindestens eine substituierte oder unsubstituierte Phenylgruppe enthält, die auch Teil eines größeren Ringssystems sein kann. In bevorzugten Ausführungsformen ist L ausgewählt aus substituierten oder unsubstituierten Arylenresten, die 1 bis 8 aromatische oder hereteroaromatische Ringe enthalten. Bei geeigneten hereteroaromatischen Verbindungen können in wenigstens einem Ring 1 bis 4 Kohlenstoffatome durch Stickstoff ersetzt sein. Vorzugsweise ist L ausgewählt aus Arylenresten, die mindestens eine substituierte oder unsubstituierte Phenylgruppe enthalten. Bevorzugt ist L ausgewählt aus substituierten oder unsubstituierten Ringsystemen, die 2 bis 7, insbesondere 2 bis 4, verknüpfte Phenylgruppen enthalten. Vorzugsweise sind die Phenylgruppen unsubstituiert.

Die Linkermoleküle L weisen wenigstens 2 bis 6, vorzugsweise 2, 3 oder 4 Bindungsstellen auf, die eine kovalente Verknüpfung mit den Metallatomen und/oder gegebenenfalls Heteroatomen erlauben. Bevorzugte organische Linkermoleküle L, die 2, 3 oder 4 Bindungsstellen für Metallatome, oder auch Heteroatome, aufweisen sind ausgewählt aus den folgenden Verbindungen der Formeln (1) bis (4): wobei X jeweils unabhängig voneinander ausgewählt ist aus Wasserstoff, Halogen und/oder substituiertem oder unsubstituiertem C1-5-Alkyl, C2-5-Alkenyl, C2-5-Alkinyl, C1-5-Alkoxy. Bevorzuge Bindungsstellen für Metallatome M sind jeweils durch Striche ohne Bindungspartner angedeutet. Einzelne Positionen, die mit X markiert sind, können auch weitere oder alternative Bindungsstellen für M darstellen. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Metallatome durch jeweils zwei bis vier organische Linkermoleküle L ausgewählt aus den Verbindungen der Formeln (1) bis (4), wobei X jeweils unabhängig voneinander ausgewählt ist aus Wasserstoff, Halogen, substituiertem oder unsubstituiertem C1-5-Alkyl, C2-5-Alkenyl, C2-5-Alkinyl, C1-5-Alkoxy, mit bevorzugt 1 bis 4 C-Atomen, kovalent miteinander verbunden. Bevorzugt sind Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Alkoxy mit 1 bis 4 C-Atomen, besonders bevorzugt 1, 2 oder 3 C-Atomen. Vorzugsweise ist X ausgewählt aus Wasserstoff und/oder C1-5-Alkyl. Insbesondere kann X Wasserstoff sein. Solche hydrophoben Polymerlinker haben sich als zur Epimerisierung besonders geeignet erwiesen.

Je nach Metallatom, insbesondere der bevorzugten drei- oder vierwertigen Metalle ausgewählt aus Sn, Ti, Al und Ge, umfasst der metall-organische Katalysator vorzugsweise Struktureinheiten gemäß der folgenden allgemeinen Formeln (5) oder (6): wobei jedes Linkermolekül L mit mindestens einer weiteren Struktureinheit verbunden ist, die M und L enthält, wobei die weiter enthaltenen Metallatome M ebenfalls eine Bindung zu einer Hydroxygruppe aufweisen können. Vorzugsweise sind die Linker L mit zwei oder drei weiteren Struktureinheiten verbunden, die M und L enthalten, wobei die weiter enthaltenen Metallatome M ebenfalls eine Bindung zu einer Hydroxygruppe aufweisen können.

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst ein metall-organischer Katalysator enthaltend ein vierwertiges Metall M, insbesondere Sn, Struktureinheiten gemäß der folgenden allgemeinen Formeln (7) oder (8): wobei der metall-organische Katalysator wenigstens eine Hydroxygruppe an wenigstens einem Metallatom M aufweist, jedes Metallatom M mit weiteren Struktureinheiten verbunden ist, die L und M enthalten, und wobei die Linker jeweils derart gewählt sind, dass diese mit einer oder zwei weiteren Metallatomen verbunden sind. Vorzugsweise sind in diesen weiteren Struktureinheiten die Metallatome jeweils wieder mit zwei bis vier organischen Linkermoleküle L verbunden.

In bevorzugten Ausführungsformen umfasst der metall-organische Katalysator Struktureinheiten gemäß der folgenden allgemeinen Formeln (9) oder (10):

Hierbei sind die Zinnatome mit weiteren Linkermolekülen verbunden und/oder weisen eine OH-Gruppe auf. Wenigstens ein Zinnatom weist wenigstens eine Hydroxygruppe auf. Vorzugsweise weisen die Zinnatom eine Hydroxygruppe auf, bevorzugt jedoch nicht mehr als eine Hydroxygruppe. Die weiteren Zinnatome können ebenfalls jeweils eine Hydroxygruppe aufweisen. Vorzugsweise weisen einzelne oder einige Zinnatome des metall-organischen Katalysators eine Hydroxygruppe auf.

Derartige metall-organische Katalysatoren sind beispielsweise herstellbar durch eine Umsetzung eines Metallsalzes mit einer Polyphenylverbindung. Beispielsweise sind metall-organische 4,4'-Biphenyl- oder 1,3,5 Triphenylbenzol-vernetzte Zinnhydroxid-Katalysatoren umfassend Struktureinheiten gemäß der allgemeinen Formeln (9) oder (10) herstellbar durch eine Umsetzung von SnCl4 mit lithiierten, stark nukleophilen Derivaten von 4,4'-Dibrombiphenyl oder 1,3,5 Tris-(4-bromophenyl)-benzol. Die an Zinn gebundenen Hydroxygruppen können sich beispielsweise durch eine partielle Hydrolyse während der Synthese des Katalysators bilden. Die metall-organischen Katalysatoren können neben Struktureinheiten, wobei Zinnatome eine Hydroxygruppe aufweisen, Struktureinheiten umfassen, wobei Zinnatome mit vier Linkermolekülen verbunden sind, beispielsweise wie nachfolgend dargestellt:

In vorteilhafter Weise weist der metall-organische Katalysator ein Lewis-saures Metall und eine an das Metall gebundene Hydroxygruppe auf, sowie vorzugsweise voluminöse hydrophobe organische Linker, welche das katalytische Zentrum oder die katalytischen Zentren abschirmen. Die organischen Linker weisen selbst vorzugsweise keine Gruppen auf, die als Protonendonor fungieren.

In Abhängigkeit von dem gewählten Syntheseweg und den verwendeten Linkern kann der metall-organische Katalysator Linkereinheiten enthalten, die ein substituierter oder unsubstituierter, acyclischer oder cyclischer Alkylenrest oder ein substituierter oder unsubstituierter Arylenrest mit 5 bis 50 C-Atomen ist, der keine Verknüpfung mit weiteren Struktureinheiten aufweist. Derartige Linkereinheiten können bedingt durch den Syntheseweg vereinzelt auftreten. Alternativ können Linkereinheiten, die keine Verknüpfung mit weiteren Struktureinheiten aufweisen, bewußt eingefügt werden, beispielsweise um den Vernetzungsgrad, die spezifische BET-Oberfläche und/oder das Mikroporenvolumen zu beeinflussen.

Der metall-organische Katalysator kann einen Anteil an Metall, beispielsweise Zinn, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators, im Bereich von 1 Gew.-% bis ≤ 40 Gew.-% aufweisen. Bevorzugt liegt der Anteil an Metall, beispielsweise Zinn, bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators im Bereich von 10 Gew.-% bis ≤ 30 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 15 Gew.-% bis ≤ 25 Gew.-%. Ein hoher Metallanteil kann eine hohe Dichte an katalytischen Zentren zur Verfügung stellen. Der Anteil an Kohlenstoff bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators kann im Bereich von 30 Gew.-% bis ≤ 80 Gew.-% liegen. Bevorzugt liegt der Anteil an Kohlenstoff bezogen auf das Gesamtgewicht des Katalysators im Bereich von 40 Gew.-% bis ≤ 70 Gew.-%, vorzugsweise im Bereich von 50 Gew.-% bis ≤ 60 Gew.-%.

Der metall-organische Katalysator weist in vorteilhafter Weise eine große spezifische Oberfläche auf. Der metall-organische Katalysator kann eine spezifische Oberfläche (BET) im Bereich von ≥ 1 m2g–1 bis ≤ 1500 m2g–1, bevorzugt im Bereich von ≥ 200 m2g–1 bis ≤ 600 m2g–1, aufweisen. Die BET-Oberfläche kann durch Bestimmung der spezifischen Oberfläche von Feststoffen durch Gasadsorption nach dem Brunauer-Emmett-Teller(BET)-Verfahren mittels der Adsorption von Stickstoff bestimmt werden.

Der metall-organische Katalysator weist in vorteilhafter Weise eine hohe Porosität auf. Der metall-organische Katalysator kann ein Porenvolumen im Bereich von ≥ 0,01 cm3g–1 bis ≤ 0,8 cm3g–1, bevorzugt im Bereich von ≥ 0,2 cm3g–1 bis ≤ 0,4 cm3g–1, aufweisen. Eine hohe Porosität kann in vorteilhafter Weise zu einer guten Zugänglichkeit der aktiven Zentren für Zuckermoleküle führen. Insbesondere weist der metall-organische Katalysator vorzugsweise eine hohe Mikroporosität auf. Der metall-organische Katalysator kann eine spezifische Porenfläche (Smikro) im Bereich von ≥ 1 m2g–1 bis ≤ 1000 m2g–1, bevorzugt im Bereich von ≥ 50 m2g–1 bis ≤ 500 m2g–1, aufweisen.

Der metall-organische Katalysator ist in vorteilhafter Weise sehr stabil gegenüber Wasser. Dies erlaubt es, den Katalysator in wässriger Lösung einzusetzen. Grundsätzlich kann das Saccharid in verschiedenen Lösungsmitteln, auch organischen Lösungsmitteln, gelöst werden. Vorzugsweise ist jedoch Wasser als Lösungsmittel verwendbar. In bevorzugten Ausführungsformen ist das Lösungsmittel eine wässrige Lösung. Durch Verwendung von Wasser als Lösungsmittel kann der Aufwand der Reaktion deutlich reduziert und die Bedingungen vereinfacht werden. Der feste Katalysator kann nach der Reaktion leicht abgetrennt werden, beispielsweise durch einfache Filtration, und das Reaktionsgemisch kann ohne aufwändige Reinigung, insbesondere ohne Abtrennung toxischer Metallverbindungen, weiterverarbeitet werden. In vorteilhafter Weise kann damit ein einfaches und im technischen Maßstab durchführbares Verfahren zur Epimerisierung mit guter Ausbeute und hoher Selektivität gegenüber der konkurrierenden Isomerisierung zur Verfügung gestellt werden.

In bevorzugten Ausführungsformen enthält die wässrige Lösung einen Anteil an Alkohol. In vorteilhafter Weise kann hierdurch eine bessere Löslichkeit des Substrats erzielt werden. Weiter wurde festgestellt, dass dies zu einer erhöhten Reaktivität führen kann. Es wird vermutet, dass durch einen Zusatz an Alkohol ein Eindringen der Zucker in den porösen Katalysator erleichtert wird. Es wird hierbei davon ausgegangen, dass der Alkohol dazu führt, dass der hydrophobe Katalysator besser benetzt wird, und hierdurch mehr Substrat zu katalytischen Zentren gelangen kann. Vorzugsweise enthält die wässrige Lösung Alkohol im Bereich von ≥ 15 Vol.-% bis ≤ 50 Vol.-%, bevorzugt im Bereich von ≥ 30 Vol.-% bis ≤ 50 Vol.-%, insbesondere im Bereich von ≥ 40 Vol.-% bis ≤ 50 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen der Lösung. In Mischungen mit Anteilen an Alkohol über 50 Vol.-% lösen sich Zucker wie Glucose schlechter oder können ausfallen. Vorzugsweise ist der Alkohol ausgewählt aus der Gruppe umfassend Methanol, Ethanol, Propanol, 2-Propanol, 2-Butanol und/oder 2-Methyl-2-propanol. Diese Alkohole sind gut in Wasser löslich. Bevorzugt ist der Alkohol ausgewählt aus Methanol oder Ethanol.

Die Epimerisierung von Sacchariden wird üblicherweise durch Erhitzen bzw. Erwärmen des in einem Lösungsmittel gelösten Saccharids in Gegenwart des Katalysators durchgeführt. In bevorzugten Ausführungsformen führt man die Epimerisierung bei einer Temperatur im Bereich von ≥ 40°C bis ≤ 140°C, bevorzugt im Bereich von ≥ 60°C bis ≤ 120°C, vorzugsweise bei einer Temperatur im Bereich von ≥ 80°C bis ≤ 100°C, durch. Die Epimerisierung läuft bereits bei Temperaturen ab 40°C mit guter Ausbeute ab, jedoch kann eine Erhöhung der Temperatur zu einem schnelleren Ablauf der Reaktion, und damit bei technischen Prozessen zu wertvoller Zeitersparnis, führen. Ab einer Temperatur von 120°C kann die Selektivität der Epimerisierung deutlich sinken und der Anteil an unerwünschten Nebenprodukten zunehmen. In Abhängigkeit von der Temperatur kann die Reaktionszeit im Bereich von ≥ 0,5 h bis ≤ 10 h liegen. Vorteilhaft liegt die die Reaktionszeit im Bereich von ≥ 1 h bis ≤ 3 h. Beispielsweise benötigt die Reaktion bei einer Temperatur im Bereich von ≥ 80°C bis ≤ 100°C nur ein bis zwei Stunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für eine Epimiersierung von Aldosen am C2-Kohlenstoff mit hoher katalytische Aktivität und Selektivität geeignet, beispielsweise für die Umwandlung von Glucose zu Mannose, Xylose zu Lyxose und Ribose zu Arabinose. Bevorzugt ist die Aldose ausgewählt aus der Gruppe umfassend Glucose, Mannose, Xylose, Lyxose, Arabinose, Ribose, Galactose und/oder Talose. Besonders bevorzugt ist Glucose als häufigste natürlich vorkommende Aldose. Auch Lyxose, Arabinose und Talose, deren Epimerisierungsprodukte zur Synthese von Antitumormitteln verwendbar sind, sind bevorzugt.

Insgesamt kann ein Verfahren zur Verfügung gestellt werden, das unter Verwendung fester metall-organischer Katalysatoren eine Epimerisierung von Aldosen mit hoher Selektivität und Ausbeute erlaubt. Insbesondere die Verwendung polyphenyl-vernetzter Zinnhydroxid-Katalysatoren hat sich als technisch einsetzbar erwiesen.

Beispiele und Figuren, die der Veranschaulichung der vorliegenden Erfindung dienen, sind nachstehend angegeben.

Hierbei zeigt:

1 ein IR-Spektrum fester metall-organischer Zinn-Hydroxid-Katalysatoren

2 eine Auftragung der Ausbeute an Mannose gegen die Zeit für eine Umsetzung für 1,5 h mit Katalysator (durchgezogene Linie) und eine Umsetzung, bei der der Katalysator nach 30 Minuten entfernt wurde (gestrichelte Linie).

3 ein Balkendiagramm für die Umsetzung von Glucose für frischen und rezyklisierten Zinn-Hydroxid-Katalysator.

Beispiel 1 Herstellung eines 4,4'-Biphenyl-vernetzten Zinnhydroxid-Katalysators (Sn-EOF1)

Die Katalysatorsynthese erfolgte unter Argon-Atmosphäre und unter Verwendung von Schlenk-Technik. 3,12 g 4,4'-Dibrombiphenyl (10 mmol) wurden in 200 ml trockenem Tetrahydrofuren (THF) gelöst. Die Lösung wurde auf –10 °C (263 K) gekühlt und 8 ml einer 2,5 M Lösung (20 mmol) n-Butyllithium wurden tropfenweise zugefügt. Anschließend wurde die Mischung für 30 Minuten gerührt, bevor 1,3 g (5 mmol) SnCl4 tropfenweise zugefügt wurden. Die Mischung wurde auf Raumtemperatur (20 ± 2 °C) erwärmen lassen und über Nacht gerührt. Es wurde ein Feststoff erhalten, der durch Vakuumfiltration isoliert und zwei Mal mit jeweils 200 ml THF, 200 ml destilliertem Wasser und 200 ml Ethanol gewaschen wurde. Es wurden 1,63 g eines blassgelben Pulvers erhalten.

Beispiel 2 Herstellung eines 1,3,5 Triphenylbenzol-vernetzten Zinnhydroxid-Katalysators (Sn-EOF2)

Die Synthese erfolgte ebenfalls unter Argon-Atmosphäre und unter Verwendung von Schlenck-Technik. 2,74 g (5mmol) 1,3,5 Tris-(4-bromophenyl)-benzol wurden in 140 ml Diethylether dispergiert. Die Lösung wurde auf –10 °C (263 K) gekühlt und 9,375 ml einer 1,6 M Lösung (15 mmol) n-Butyllithium wurden tropfenweise zugefügt. Anschließend wurde die Mischung für 30 Minuten gerührt, bevor 0,98 g (3,75 mmol) SnCl4 tropfenweise zugefügt wurden. Die Mischung wurde auf Raumtemperatur (20 ± 2 °C) erwärmen lassen und über Nacht gerührt. Es wurde ein Feststoff erhalten, der durch Vakuumfiltration isoliert und mit 150 ml Diethylether, 150 ml THF, 150 ml destilliertem Wasser und 150 ml Ethanol gewaschen wurde. Nach Trocknen unter Vakuum bei Raumtemperatur wurden 1,01 g eines weißen Pulvers erhalten.

Vergleichsbeispiel 3 Herstellung eines Zinn-Zeolith-Katalysators

H-Beta-Zeolith (SiO2:Al2O3 = 23 mol:mol; SBET = 583 m2g–1, Clariant Produkte) wurde in Form eines Puders eingesetzt. 10 g H-Beta-Zeolith wurden durch Rühren für 20 Stunden bei 80 °C in 500 ml 7 M HNO3 zunächst einer Dealuminierung unterzogen. Nach Waschen mit 10 l destilliertem Wasser wurde der dealuminierte Zeolith 80 °C an der Luft getrocknet. Vor der Beladung mit Zinn wurde der Zeolith über Nacht bei 150 °C in Luft erwärmt, um adsorbiertes Wasser zu entfernen. Der Zeolith wurde in 100 ml Isopropanol pro Gramm Zeolith gegeben, eine Lösung von 7,73 g (30 mmol pro Gramm Zeolith) SnCl4 zugegeben, und für 7 Stunden unter Rückfluss erhitzt. Das erhaltene Material wurde filtriert, mit 100 ml Isopropanol gewaschen, an Luft bei 60°C getrocknet und mit folgendem Ablauf kalziniert:
Heizen mit 3 °C min–1 auf 200 °C, Haltezeit 6 Stunden, weiteres Aufheizen mit 3 °C min–1 auf 550 °C, Haltezeit 6 Stunden.

Beispiel 4 Charakterisierung der Katalysatoren

Der Zinnanteil des jeweiligen Katalysatormaterials wurde mittels optischer Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES, Spectro Analytical Instruments) bestimmt. Vor der Analyse wurde der Zinn-Zeolith-Katalysator (Sn-Beta) in einer Mischung aus HCl, HNO3 und HF (5:5:1) gelöst. Die Bispphenyl- und Triphenylbenzol-vernetzten Zinnhydroxid-Katalysatoren Sn-EOF1 und Sn-EOF2 wurden in einer Mischung aus HF und H2SO4 (1:1) gelöst. Die Elementaranalyse wurde am Institut für Organische Chemie, RWTH Aachen University, durchgeführt.

Die Katalysatoren wurden ferner durch Niedrigtemperaturadsoption von N2 unter Verwendung eines Quadrasorb SI Automated Surface Area & Pore Size Analyzer charakterisiert. Hierzu wurden die Proben zuvor unter Vakuum bei 100 °C für 20 h entgast. Die spezifische Oberfläche (SBET) wurde mittels der Brunauer-Emmett-Teller (BET)-Theorie berechnet. Die Bestimmung der Oberfläche der Mikroporen und des Mikroporenvolumens erfolgte nach dem t-plot-Verfahren. Pulver-Röntgendiffraktometrie (XRD) erfolgte unter Verwendung eines a D5000 Siemens XRD Diffraktometer mit Cu-Kα Strahlung (λ = 1.54056 Å). Strom und Spannung lagen bei 45 kV und 40 mA. Beugungsmuster wurden im Bereich 3–90° 2Θ in 0,02°-Intervallen und einer Schrittzeit von 1 s aufgenommen. Fourier-Transformations-Infrarot (FT-IR) Spektren wurden unter Verwendung eines Vertex 70-Spektrometers (Bruker) im diffusen Reflexions-Modus (DRIFTS) mit getrocknetem KCl-Pulver als Referenz aufgenommen. Spektren wurden bei Raumtemperatur im Bereich von 850–4000 cm–1 aufgenommen. Elektronische Rastermikroskop(SEM)-Aufnahmen und energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) Spektren wurden unter Verwendung eines JEOL JSM-7000F Mikroskops (Beschleunigungsenergie 15 kV) kombiniert mit einem EDX/EBSD-System EDAX Pegasus aufgenommen. Vor der Rastermikroskop(SEM)-Untersuchung wurden die Proben mit Kohlenstoff beschichtet.

Die Ergebnisse für die einzelnen Katalysatoren sind in den folgenden Tabellen 1 und 2 zusammengefaßt. Tabelle 1: Zusammensetzung der Katalysatoren

Zusammensetzung [Gew.-%] Material C HAlSnSiSn-EOF-1 57,74 4,23-22,95-Sn-EOF-2 58,47 4,44-18,20-Sn-Beta - -0,540,4527,9
Tabelle 2: Struktureigenschaften der Katalysatoren Struktureigenschaften Material SBET, m2g–1Smicro, m2g–1Sext, m2g–1Vtot, cm3g–1Sn-EOF-1 218 911270,23Sn-EOF-2 553 4111420,29Sn-Beta 581 4061750,52

Wie man den Tabellen 1 und 2 entnehmen kann, zeigte sich für die Bisphenyl- und Triphenylbenzol-vernetzten Zinnhydroxid-Katalysatoren Sn-EOF1 und Sn-EOF2, dass es sich jeweils um röntgenamorphe Materialien mit Mikro- und Mesoporosität handelte. Insbesondere wurde zusätzlich zu Kohlenstoff, Wasserstoff und Zinn mittels Rasterelektronenmikroskop und energiedispersiver Röntgenspektroskopie (SEM-EDX) die Anwesenheit von Sauerstoff nachgewiesen. Die 1 zeigt das IR-Spektrum der Verbindungen Sn-EOF1 und Sn-EOF2 sowie das von Sn(OH)Ph3 als Referenz. Erkennbar ist aus 1 die Schwingungsbande der Sn-OH-Gruppe mit νOH 3640 cm–1.

Dies zeigt, dass die metall-organische Katalysatoren Sn-EOF1 und Sn-EOF2 eine vernetzte und poröse Struktur aufweisen, und einige an Zinn gebundene Hydroxygruppen aufweist.

Allgemeine Arbeitsvorschrift für die Umsetzung der Saccharide:
Die Epimerisierungsreaktionen wurden in 20 mL-Autoklaven mit Glaseinlaß durchgeführt. In den Versuchen wurden 100 mg des jeweiligen Katalysators und 5 mL einer Lösung von 5 Gew.-% oder 10 Gew.-% des jeweiligen Substrats in dem Autoklaven vorgelegt, der Autoklav wurde versiegelt, Stickstoff mit ca. 30 bar aufgepresst auf die entsprechende Temperatur erhitzt. Während der Reaktionen wurde mit 750 rpm gerührt. Nach der jeweiligen Reaktionszeit wurde die Reaktionsmischung im Eisbad gekühlt und durch einen Polyamidspritzenvorsatzfilter mit einer Porengröße von 0,2 µm filtriert.

Die Analyse der Produktlösungen erfolgte über Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) in einem Shimadzu Prominence LC-20 System ausgerüstet mit einem Brechungsindexdetektor. Mischungen von Glucose/Fructose/Mannose und Ribose/Ribulose/Arabinose wurden über Säulen-Chromatographie auf Accucore Amid-Hilic-Säulen mit 0,05M Trimethylamin (Thermo Fischer, 100 mm × 4,6 mm) bei 40 °C aufgetrennt. Als Eluent wurde eine Mischung von 90 Vol.% Acetonitril und 10 Vol.% 0,02 Trimethylamin in Wasser mit einer Flussrate von 1 mL min–1 verwendet. Mischungen von Xylose/Xylulose/Lyxose wurden über Aminex HPX-87P Säulen (Bio-Rad, 300 mm × 7,8 mm) bei 80 °C unter Verwendung von Wasser mit einer Flussrate von 0,5 mL min–1 als Eluent aufgetrennt.

Beispiel 5 Untersuchung der Epimerisierung von Glucose und Mannose

Die Versuche zur Epimerisierung von Glucose und Mannose mit verschiedenen Katalysatoren wurden wie in der allgemeinen Arbeitsvorschrift beschrieben in wässriger Lösung durchgeführt, wobei 5 mL einer Lösung von 10 Gew.-% oder 5 Gew.-% an Glucose oder Mannose verwendet wurden.

Die Bedingungen und Ergebnisse der einzelnen Umsetzungen sind in den folgenden Tabellen 3 und 4 zusammengefaßt. Die Saccharidverteilung im Gleichgewicht ist Glucose:Mannose = 70:30. Tabelle 3: Reaktionsbedingungen der Umsetzungen von Glucose und Mannose

Versuch Reaktionsbedingungen Katalysator SubstratLösungsmittelZeit, hTemperatur, °C 1 Sn-EOF-1 GlucosedH2O1,5802 Sn-EOF-1 GlucosedH2O1,5903 Sn-EOF-1 GlucosedH2O1,51004 Sn-EOF-1 GlucosedH2O1,51105 Sn-EOF-1 GlucosedH2O1,51206 Sn-EOF-1 Glucosed15%EtOH+85%H2O1,51007 Sn-EOF-1 Glucosed30%EtOH+70%H2O1,51008 Sn-EOF-1 Glucosed50%EtOH+50%H2O1,51009 Sn-EOF-2 Glucosed50%EtOH+50%H2O1,510010 Sn-Beta Glucosed50%EtOH+50%H2O1,510011 Sn-Beta GlucosedH2O1,510012 Sn-EOF-1 Mannosee50%EtOH+50%H2O310013 Sn-EOF-1 Mannosed50%EtOH+50%H2O1,510014 Sn-EOF-2 Mannosed50%EtOH+50%H2O1,510015 Sn-Beta Mannosed50%EtOH+50%H2O1,5100
dReaktionsbedingungen: 5 mL einer 10 Gew.-%igen Lösung des Substrats, 100 mg Katalysator, 750 rpm; eReaktionsbedingungen: 5 mL einer 10 Gew.-%igen Lösung des Substrats, 100 mg Katalysator, 750 rpm. Tabelle 4: Ergebnisse der Umsetzungen von Glucose und Mannose Versuch Ergebnisse Verteilung der Monosaccharide, % Massenbilanz,% Xa, %Sb, %Yc, %GlucoseMannoseFructose1 8 88792 71100 2 9 100990 91100 3 12 921188 111100 4 16 751286 12399 5 18 671186 12395 6 16 1001682 162100 7 17 1001782 171100 8 23 912177 212100 9 12 831089 101100 10 20 10280 21799 11 33 15568 52798 12 29 862525 705100 13 14 791111 87299 14 11 7388 884100 15 32 1344 6333100
aX beschreibt die Umsetzung; bS beschreibt die Selektivität für eine epimere Aldose; cY beschreibt die Ausbeute einer epimeren Aldose

Wie man den Versuchen 1 bis 9 der Tabelle 4 entnimmt, zeigte sich, dass die Verwendung der metall-organischen vernetzten Zinnhydroxid-Katalysatoren Sn-EOF-1 und Sn-EOF-2 bei der Umwandlung von Glucose zu einem deutlichen Überwiegen des Epimerisierungsproduktes Mannose führte, während Fruktose als Produkt der konkurrierenden Isomerisierung nur in geringem Ausmaß entstand. Für die Epimerisierung von Glucose zu Mannose wurde eine Ausbeute von bis zu 21% und eine Selektivität 91% erzielt, für die die Epimerisierung von Mannose zu Glucose eine Ausbeute von bis zu 25% und eine Selektivität 83%. Demgegenüber führte die Verwendung des Zeolith-Vergleichskatalysators Sn-Beta in den Versuchen 10 und 11 hauptsächlich zu Fruktose, während Mannose nur in geringem Ausmaß entstand. Dies wurde für sämtliche untersuchten Temperaturen von 80 °C bis 120 °C beobachtet, obwohl die Selektivität oberhalb von 100 °C leicht abnahm.

Wie man anhand eines Vergleichs der Versuche 3, 6, 7 und 8 feststellen kann, führte die Verwendung eines Gemisches von Wasser und Ethanol zu einer Erhöhung der Ausbeute an Mannose, wobei die beste Umsetzung bei einer wässrigen Lösung aus 50 Vol.-% Wasser und 50 Vol.-% Ethanol erzielt wurde. In Mischungen mit einem Ethanolanteil über 50 Vol.-% war Glucose nur noch gering löslich. Es wird davon ausgegangen, dass der Alkohol dazu führt, dass der hydrophobe Katalysator besser benetzt wird, und hierdurch mehr Substrat zu katalytischen Zentren gelangen kann.

Eine Elementaranalyse nach Ende der Reaktionen zeigte kein Zinn in der flüssigen Phase. Dies zeigt, dass Zinn unter den gewählten Versuchsbedingungen die Produktlösungen nicht verunreinigt. Diese sind somit für eine Weiterverarbeitung ohne aufwändige und kostspielige Abtrennung toxischer Metalle verwendbar.

Beispiel 6 Untersuchung der Epimerisierung von Arabinose, Ribose, Xylose und Lyxose

Die Umsetzung wurde für die epimeren Paare Xylose/Lyxose und Ribose/Arabinose mit den Katalysatoren Sn-EOF-1 und Sn-EOF-2 und dem Vergleichskatalysator Sn-Beta wie in der allgemeinen Versuchsvorschrift beschrieben wiederholt. Als Lösungmittel wurde eine wässrige Lösung aus 50 Vol.-% Wasser und 50 Vol.-% Ethanol verwendet und die Umsetzungen wurden bei 100 °C durchgeführt, wobei entweder 5 mL einer Lösung von 5 Gew.-% oder 10 Gew.-% der jeweiligen Ausgangsaldose verwendet wurden.

Die Bedingungen und Ergebnisse der einzelnen Umsetzungen sind in den folgenden Tabellen 5 und 6 zusammengefasst. Die Saccharidverteilung im Gleichgewicht ist jeweils:
Xylose:Lyxose = 67:31; Arabinose:Ribose = 69:31 Tabelle 5: Reaktionsbedingungen und Ergebnisse der Umsetzungen von Arabinose, Ribose, Xylose und Lyxose

Versuch Reaktionsbedingungen Ergebnis KatalysatorSubstratZeit, h Xa, %Sb, %Yc, %1 Sn-EOF-1 Arabinosed341 51162 Sn-EOF-1 Arabinosee1.523 48103 Sn-EOF-2 Arabinosee1.536 3394 Sn-Beta Arabinosee1.549 39165 Sn-EOF-1 Ribosed343 42136 Sn-EOF-1 Ribosee1.539 3197 Sn-EOF-2 Ribosee1.540 2888 Sn-Beta Ribosee1.557 39189 Sn-EOF-1 Xylosed334 742210 Sn-EOF-1 Xylosee1.519 631211 Sn-EOF-2 Xylosee1.519 53912 Sn-Beta Xylosee1.554 723113 Sn-EOF-1 Lyxosed348 521914 Sn-EOF-1 Lyxosee1.518 611115 Sn-EOF-2 Lyxosee1.525 32716 Sn-Beta Lyxosee1.521 438
aX beschreibt die Umsetzung; bS beschreibt die Selektivität für eine epimere Aldose; cY beschreibt die Ausbeute einer epimeren Aldose; dReaktionsbedingungen: 5 mL einer 10 Gew.-%igen Lösung des Substrats, 100 mg Katalysator, 750 rpm; eReaktionsbedingungen: 5 mL einer 10 Gew.-%igen Lösung des Substrats, 100 mg Katalysator, 750 rpm. Tabelle 6: Verteilung der Monosaccharide der Umsetzungen von Arabinose, Ribose, Xylose und LyxoseVersuch Verteilung der Monosaccharide, %Massen bilanz,% Aldoseepimere AldoseKetoseArabinoseRiboseRibulose1 76 213 77 2 87 11288 3 85 12376 4 63191882 5 77 18573 6 85 12376 7 86 11370 8 53 222580 Xylose LyxoseXylulose9 74 25188 10 83 12597 11 90 10090 12 58 39279 13 25 71574 14 11 85497 15 8 86688 16 9 88490

Wie man den Tabellen 5 und 6 entnehmen kann, überwog bei der Verwendung der metall-organischen vernetzten Zinnhydroxid-Katalysatoren Sn-EOF-1 und Sn-EOF-2 die Bildung der epimeren Aldose für sämtliche getesteten Substrate jeweils deutlich die des konkurrierenden Isomerisierungsproduktes, während die isomerisierte Ketose bei Verwendung des Zeolith-Vergleichskatalysators Sn-Beta deutlich überwog. Für die Epimerisierung von Xylose zu Lyxose wurde eine Ausbeute von bis zu 25% und eine Selektivität 74% erzielt, für die die Epimerisierung von Lyxose zu Xylose eine Ausbeute von bis zu 25% und eine Selektivität 51%. Für die Epimerisierung von Arabinose zu Ribose wurde eine Ausbeute von bis zu 16% und eine Selektivität 51% erzielt, und für die die Epimerisierung von Ribose zu Arabinose eine Ausbeute von bis zu 18% und eine Selektivität 31%.

Insgesamt zeigen die Umsetzungen der Aldosen, dass die Verwendung eines festen metall-organischen Katalysators, der ein vernetztes, poröses Zinn-basiertes Polymer ausbildet, das Zinn-Hydroxygruppen aufweist, eine Epimiersierung von Aldosen wie Glucose zu Mannose, Xylose zu Lyxose und Ribose zu Arabinose mit hoher katalytischer Aktivität und Selektivität erlauben.

Beispiel 7 Untersuchung der Katalysatoraktivität

Die Untersuchung des Katalysators wurde an dem gemäß Beispiel 1 hergestellten 4,4'-Biphenyl-vernetzten Zinnhydroxid-Katalysator (Sn-EOF1) durchgeführt. Dieser wurde wie in den allgemeinen Bedingungen beschrieben in einer Menge von 100 mg in 5 mL einer 10 Gew.%igen Lösung an Glucose in einem Lösungsmittelgemisch von 50 Vol.% H2O und 50 Vol.% EtOH, bei einer Temperatur 100 °C für insgesamt 1,5 h reagiert, wobei die Lösung mit 750 rpm gerührt wurde.

Die Reaktion wurde entsprechend den vorbeschriebenen allgemeinen Bedingungen gestartet und für 30 Minuten durchgeführt. Dann wurde die Umsetzung unterbrochen, eine Probe der Produktlösung genommen, der Katalysator aus einem Teil des Reaktionsansatzes heiß abfiltriert, und die ursprüngliche Probe sowie das Filtrat für eine weitere Stunde bei 100 °C erhitzt. Nach einer Reaktionszeit von insgesamt 45 Minuten wurden aus beiden Ansätzen eine weitere Probe entnommen. Nach Abschluß der Umsetzung wurden aus beiden Ansätzen weitere Proben der Produktlösung genommen, und der Anteil an Mannose in sämtlichen Produktlösungen über HPLC bestimmt.

Die 2 zeigt eine Auftragung der Ausbeute an Mannose gegen die Zeit. Die durchgezogene Linie beschreibt die Ausbeute an Mannose für die Probe mit Katalysator, die gestrichelte Linie die Ausbeute an Mannose für die Probe, bei der der Katalysator nach 30 Minuten entfernt wurde. Wie man der 2 entnimmt, fand nach der Entfernung des Katalysators keine Umsetzung mehr statt und der Anteil an Mannose blieb konstant. Dies zeigt, dass die Epimerisierung heterogen am Katalysator abläuft. Zudem ist eine gute Abtrennbarkeit des festen Katalysators gegeben.

Beispiel 8 Untersuchung der Rezyklisierbarkeit der Katalysatoren

Der gemäß Beispiel 1 hergestellte 4,4'-Biphenyl-vernetzte Zinnhydroxid-Katalysator (Sn-EOF1) wurde wie in den allgemeinen Bedingungen beschrieben in einer Menge von 100 mg in 5 mL einer 10 Gew.%igen Lösung an Glucose in einem Lösungsmittelgemisch von 50 Vol.% H2O und 50 Vol.% EtOH, bei einer Temperatur 100 °C für 1,5 h reagiert, wobei die Lösung mit 750 rpm gerührt wurde. Nach der Reaktion wurde der Katakysator abfiltriert, mit Ethanol gewaschen und unter gleichen Bedingungen erneut für eine Umsetzung verwendet. Der Anteil an Glucose, Fructose und Mannose der Produktlösungen wurde mittels HPLC bestimmt.

Das Balkendiagramm der 3 zeigt für die erste und zweite Umsetzung jeweils als rechten Balken die Umsetzung von Glucose und als jeweils linken Balken die Ausbeute an Mannose. Wie man der 3 entnimmt, zeigte der Katalysator auch bei der Rezyklisierung eine hohe Selektivität bezüglich der Epimerisierung zu Mannose, während die Umsetzungsrate leicht abnahm. Die Rezyklisierbarkeit erlaubt eine technische und großtechnische Prozessentwicklung.

Beispiel 9 Untersuchung zum Reaktionsmechanismus

Der Mechanismus der Epimeriserung unter Verwendung des 4,4'-Biphenyl-vernetzten Zinnhydroxid-Katalysatoren (Sn-EOF1) wurde an Glucose als Substrat untersucht. Hierzu wurde unter den oben beschriebenen Standardbedingungen D-(13C-1)-Glucose als Substrat für 1,5 Stunden bei einer Temperatur 100 °C in einer Mischung von jeweils von 50 Vol.% Ethanol und Wasser als Lösungsmittel und mit Sn-EOF-1 als Katalysator durchgeführt. Das Lösungsmittel wurde bei 30 °C unter vermindertem Druck verdampft und der erhaltene dickflüssige Rückstand wurde in D2O gelöst und mittels 13C NMR analysiert. Die 13C NMR Spektren wurden auf einem Bruker AV-400 bei Raumtemperatur aufgenommen.

Die eingesetzte Lösung von D-(1-13C)Glucose zeigte zwei starke Resonanzen bei 95,9 und 92,0 ppm korrespondierend jeweils zum C-1 von α-Glucopyranose und β-Glucopyranose. Die Reaktionslösung nach der Umsetzung zeigte zwei zusätzliche 13C Resonanzen bei 70,6 und 71,2 ppm korrespondierend jeweils zu α-Mannopyranose und β-Mannopyranose. Die Analyse der erhaltenen Produktmischung zeigte somit eine Bildung von D-(2-13C)Mannose als ein Produkt. Dies deutet darauf hin, dass die Reaktion über einen Umbau des Kohlenstoffgerüstes verläuft.

Beispiel 10 Untersuchung des katalytischen Zentrums

Die Struktur des katalytischen Zentrums wurde untersucht, indem Modelverbindungen für tetrakoordiniertes Zinn und teilweise hydrolysiertes Zinn der Polyphenyl-vernetzten Zinnhydroxid-Katalysatoren (Sn-EOF1 und 2) verwendet wurden. Tetraphenylzinn wurde als Repräsentant eines mit Linkern tetrakoordinierten Zinnatoms verwendet, und Triphenyl-Zinnhydroxid als molekulares Analog für teilweise hydrolisiertes Zinn verwendet. Hierzu wurden beide Verbindungen wie in den allgemeinen Bedingungen beschrieben in einer Menge von 100 mg in 5 mL einer 10 gew.%igen Lösung an Glucose in einem Lösungsmittelgemisch von 50 Vol.% H2O und 50 Vol.% EtOH, bei einer Temperatur 100 °C für 1,5 h reagiert, wobei die Lösung mit 750 rpm gerührt wurde.

Tetraphenylzinn zeigte hierbei keine katalytische Aktivität in Bezug auf eine Isomerisierung der Glucose. Demgegenüber wurden unter Verwendung von Triphenyl-Zinnhydroxid als Katalysator Mannose und Fruktose mit einer jeweiligen Selektivität von 78 % und 10 %. Die Substratumsetzung war mit ca. 3 % allerdings deutlich niedriger als für die Polyphenyl-vernetzten Zinnhydroxid-Katalysatoren. Dies zeigt die Bedeutsamkeit der an das Zinn gebundenen Hydroxygruppe für die katalytische Aktivität.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 3714473 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • Gunther, W. R. et al. in Nature Communications 3, 1109, 2012 [0005]