„Heterogene Katalyse in der Produktion von Vitamin E - Teil I“

Thomas Netscher und Werner Bonrath

Einleitung und Synthese von Trimethylhydrochinon

Verbindungen, die chemische Reaktionen beschleunigen, werden als Katalysatoren bezeichnet. Katalysatoren, z.B. Enzyme, sind in der Natur bei allen Lebensvorgängen wichtig. Heterogene Katalyse spielt eine entscheidende Rolle in der Herstellung von Gebrauchsartikeln. Eine alltägliche Anwendung der Katalyse stellen die Autoabgaskatalysatoren dar (siehe Aktuelle Wochenschau 2008, Woche 17). Für die Aufklärung der Elementarschritte heterogen katalysierter Vorgänge wurde im Jahr 2007 der Nobelpreis für Chemie an Professor G. Ertl vergeben.

Auch die umweltverträgliche und ökonomische Herstellung von Feinchemikalien, Verbindungen mit funktionellen Gruppen, wird im Massstab von einigen tausend bis einhunderttausend Tonnen pro Jahr durch Katalysatoren ermöglicht. Feinchemikalien sind von besonderem Interesse für die Herstellung von Kosmetika, Farbstoffen oder die Ernährung von Mensch und Tier.

Für Säugetiere und Menschen sind Vitamine essentiell. Diese organischen Verbindungen werden im Organismus nicht selbst produziert und müssen daher über die Nahrung aufgenommen werden. Vitamine können nach ihrer biologischen Funktion oder ihren physikalischen Eigenschaften, z.B. der Löslichkeit in Wasser, unterschieden werden (siehe Tabelle 1). Als wichtiges fettlösliches Vitamin kommt dem Vitamin E (Tocopherol, Schema 1) eine besondere Rolle als Antioxidans zu. Und ihm wird, wie der Name schon impliziert (griech. tocos, die Frucht und griech. pherein, tragen), eine Wirkung als Fruchtbarkeitsvitamin zugeschrieben, die bei Ratten experimentell nachgewiesen wurde.

VitaminEntdeckungFunktionLöslichkeit
A1909SehvorgangFett, lipophil
D1918Kalzium-HaushaltFett, lipophil
E1922AntioxidansFett, lipophil
K1929BlutgerinnungFett, lipophil
B11897DecarboxylierungWasser, hydrophil
B21920MetabolismusWasser, hydrophil
B61934AminierungWasser, hydrophil
B1219261,2-H-ShiftWasser, hydrophil
C1912HydroxylierungWasser, hydrophil
H (Biotin)1931CarboxylierungWasser, hydrophil
Pantothensäure1931AcylierungWasser, hydrophil
Folsäure1941Formylierung Wasser, hydrophil
Niacin1936ElektronentransportWasser, hydrophil
Tabelle 1: Einteilung der Vitamine nach physikalischen Eigenschaften und Funktion

Vitamin E wird, wegen der erhöhten Stabilität und damit leichteren Handhabbarkeit, in der Acetatform verkauft. Hauptanwendungsgebiet ist die Tierernährung. Die Produktionsvolumina steigen jährlich und betragen derzeit ca. 35.000 Tonnen pro Jahr.

Abbildung 1: Zugang zu a-Tocopherol (Vitamin E) aus Trimethylhydrochinon und Isophytol

a-Tocopherol besitzt drei Asymmetriezentren und kommt in der Natur ausschliesslich in der isomerenreinen (all-R)-Form vor. Dieses (R,R,R)-a-Tocopherol ist ubiquitärer Bestandteil des unverseifbaren Anteils aller nativen Fette und Öle und kann industriell bei der Raffination daraus gewonnen werden. Industriell wird aber überwiegend das racemische (all-rac)-a-Tocopherol produziert. Die industrielle Produktion erfolgt bei allen Herstellern nach einem ähnlichen Prinzip. Es hat sich im Laufe der Jahre herausgestellt, dass die Reaktion von Trimethylhydrochinon und Isophytol zum Vitamin E besonders vorteilhaft ist. Die Synthese der Schlüsselbausteine geschieht allerdings auf unterschiedlichen Wegen, die u.a. in Abhängigkeit von Rohstoffen, Verfahren und Patenten verfolgt werden. Für die Herstellung der Zwischenprodukte, des Vitamin E selbst, sowie des Acetates kommen unterschiedliche katalytische Verfahren zur Anwendung, insbesondere auch unter Mitwirkung heterogener Katalysatoren.

Die Synthese von Trimethylhydrochinon erfolgt aus Crotonaldehyd und Diethylketon und nachfolgender Dehydrierung zu 2,3,6-Trimethylphenol (Schema 2). Für die Dehydrierung werden Platinmetallkatalysatoren eingesetzt, die auf Trägern immobilisiert sind. Das so gewonnene 2,3,6-Trimethylphenol wird in Gegenwart von Sauerstoff oder Luft zum entsprechenden Chinon oxidiert. Diese Oxidation erfolgt in Lösungsmitteln. Der Zusatz von Magnesium- oder Lithiumsalzen hat sich als nützlich erwiesen, da moderne Methoden das Arbeiten in Wasser erlauben. Hierbei kann auf die Verwendung von organischen Lösungsmitteln gänzlich verzichtet werden. Üblicherweise werden Kupferkatalysatoren, vornehmlich das Chlorid, eingesetzt. Die Hydrierung von Trimethylchinon zum Trimethylhydrochinon erfolgt in effizienter Weise über Palladiumkatalysatoren, die auf Trägern wie Kohle oder Siliziumdioxid immobilisiert sind. Hierbei werden bei vollständigem Umsatz exzellente Selektivitäten (>99%) erzielt.

Ein anderer Weg zum Trimethylhydrochinon erschliesst sich aus m-Kresol, das durch Methylierung in 2,3,6-Trimethylphenol überführt wird. Anschliessende Oxidation und Hydrierung liefert Trimethylhydrochinon. Die Methylierung erfolgt mit billigem Methanol als Kohlenstoffquelle in der Gasphase bei Temperaturen oberhalb 625 K. Als Katalysatoren werden in der Regel saure oder basische Oxidkatalysatoren (z.B. Vanadium-, Chrom-, Eisen, Cer-, Mangan- oder Zinkoxide auf TiO2, Al2O3 oder MgCO3) verwendet.

An dieser Stelle sei auf die Anwendung neuartiger Katalysatorsysteme auf Basis von NH- oder CH-aciden Verbindungen, bzw. neuen Lewissäure-Katalysatoren (z.B. Indiumtriflat) verwiesen. Mit diesen Katalysatoren lässt sich über die Trimerisierungsprodukte von Aceton, a- und b-Isophoron, der C9-Baustein Ketoisophoron gewinnen, welcher durch Wagner-Meerwein-Umlagerung und anschliessende Aromatisierung in Gegenwart von Essigsäureanhydrid das Trimethylhydrochinondiacetat liefert und zum Zielprodukt Trimethylhydrochinon verseift wird. Der Vorteil der neuartigen Katalysatoren für diese Reaktionssequenz zum Trimethylhydrochinondiacetat besteht in ihrer hohen Reaktivität und Selektivität, die die Herstellung des Zielmoleküls bei Raumtemperatur, in weit über 90% Ausbeute ermöglichen. Die nachfolgende Reinigung ist durch Kristallisation recht einfach. Erwähnenswert ist, dass die Bildung des unerwünschten isomeren Nebenproduktes Catecholdiaceat drastisch reduziert wird.

Abbildung 2: Drei Synthesewege zum Trimethylhydrochinon


 

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