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Ketomethioninketale und deren Derivate
- Von Technik Redaktion
- Veröffentlicht 08/17/2009
- Wirtschaft
- Nicht beurteilt
Die vorliegende Erfindung betrifft Ketomethioninketale bzw. -halbketale und deren Derivate sowie deren Herstellung und deren Verwendung als Futtermitteladditive, insbesondere für die Ernährung von Wiederkäuern.
Stand der Technik
Aminosäuren wie Methionin, Lysin oder Threonin sind als Futtermitteladditive wichtige Bestandteile der Tierernährung. Sie ermöglichen ein schnelleres Wachstum sowie eine effizientere Verwertung des Futters. Dies stellt meist einen deutlichen wirtschaftlichen Vorteil dar. Die Märkte für Futtermitteladditive sind von grosser industrieller und wirtschaftlicher Bedeutung. Zudem sind sie starke Wachstumsmärkte, was nicht zuletzt auf die steigende Bedeutung von Ländern wie beispielsweise China und Indien zurückzuführen ist.
Aus WO 2004008874 ist unter anderem bekannt, dass Methionin für vielen Tierarten, darunter auch Wiederkäuer, die erste limitierende Aminosäure darstellt. So ist beispielsweise bei Milchkühen die effiziente Milchproduktion hinsichtlich der Menge und Qualität sehr stark von einer ausreichenden Zufuhr von Methionin abhängig. Der Methioninbedarf von Hochleistungsmilchkühen kann dabei nicht durch das im Pansen gebildete Mikrobeneiweiss bzw. durch im Pansen nicht abgebautes Eiweiss aus dem Futter gedeckt werden (Graulet et al., J. Animal and Feed Sciences (2004), 269). Es ist daher vorteilhaft, Methionin dem Futter zu supplementieren, um die Wirtschaftlichkeit der Milchproduktion und die Qualität der Milch zu erhöhen.
Bei monogastrischen Tieren wie z.B. Geflügel und Schweinen wird üblicherweise Methionin und das Methionin-Hydroxy-Analog (MHA), welches auch als Hydroxymethylthiobuttersäure (HMB) bezeichnet wird, als Futtermitteladditiv verwendet. Dadurch wird die verfügbare Menge an L-Methionin im Organismus erhöht, die dann dem Tier zum Wachstum zur Verfügung stehen kann.
Im Gegensatz dazu ist die Supplementierung des Futters mit Methionin bei Wiederkäuern nicht effektiv, da die Hauptmenge im Pansen (Rumen) der Wiederkäuer durch Mikroben abgebaut wird. Aufgrund dieses Abbaus gelangt daher nur ein Bruchteil des supplementierten Methionins in den Dünndarm des Tiers, wo im Allgemeinen die Absorption des Methionins ins Blut erfolgt.
In WO 99/04647 wird die Verwendung von MHA für Wiederkäuer beschrieben. Darin wird behauptet, dass MHA nur zum Teil im Pansen abgebaut wird und daher mindestens 20-40% des supplementierten MHAs nach Absorption im Dünndarm in den Stoffwechsel gelangen können. In zahlreichen anderen Publikationen wird dagegen die Wirkungsweise von MHA beim Wiederkäuer unterschiedlich diskutiert. So wird beispielsweise in WO 200028835 beschrieben, dass MHA nur dann den Pansen erfolgreich passieren und schlussendlich zur Absorption in den Dünndarm gelangen kann, wenn MHA in sehr grossen Mengen von 60-1208/Tag/Tier verabreicht wird. Dadurch ist jedoch eine Wirtschaftlichkeit nicht mehr gegeben.
Damit dem Wiederkäuer Methioninprodukte wie D,L-Methionin bzw. rac-MHA mit hoher Effizienz zur Verfügung stehen, muss eine vor dem Pansenabbau geschützte Form eingesetzt werden. Die Herausforderung ist hierbei, ein geeignetes Methioninprodukt aufzufinden, das dem Methionin eine möglichst hohe Pansenstabilität verleiht und trotzdem eine hohe und effiziente Absorption des Methionins im Darm gewährleistet. Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten, dem D,L-Methionin oder rac-MHA diese Eigenschaften zu verleihen:
a) Physikalischer Schutz:
Durch Anbringung einer geeigneten Schutzschicht bzw. Verteilung des Methionins in einer Schutzmatrix kann eine hohe Pansenstabiliät erreicht werden. Dadurch kann das Methionin den Pansen praktisch ohne Verlust passieren. Im weiteren Verlauf wird die Schutzschicht dann z.B. im Labmagen durch saure Hydrolyse geöffnet oder entfernt und das freiwerdende Methionin kann dann im Dünndarm vom Tier absorbiert werden. Die Schutzschicht bzw. -matrix kann aus einer Kombination von mehreren Substanzen wie z.B. Lipiden, anorganische Materialien und Kohlenhydraten bestehen. Folgende Produktformen sind kommerziell erhältlich:
i) Met-Plus<TM> von Nisso America ist ein lipidgeschütztes Methionin mit einem D,L-Methioningehalt von 65%. Die Schutzmatrix besteht aus den Calciumsalzen langkettiger Fettsäuren wie z.B. Laurinsäure. Als Konservierungsstoff dient butyliertes Hydroxytoluol.
ii) Mepron<(RTM)> M85 von Degussa AG ist ein kohlenhydratgeschütztes Methionin, das einen Kern aus D,L-Methionin, Stärke und Stearinsäure besitzt. Als Schutzschicht wird Ethylcellulose verwendet. Das Produkt hat einen Gehalt von 85% D,L-Methionin.
iii) Smartamine<TM> M von Adisseo ist ein polymergeschütztes Methionin. Die Pellets enthalten neben Stearinsäure mind. 70% D,L-Methionin. Die Schutzschicht enthält Vinylpyridin-Styrol-Copolymer.
Obwohl der physikalische Schutz den mikrobiellen Abbau des Methionins im Pansen verhindert und dadurch die Zufuhr und Verwertung von Methionin im Tier erhöht werden kann, gibt es einige gravierende Nachteile.
Die Herstellung bzw. die Beschichtung von Methionin stellt meist ein technisch kompliziertes und aufwendiges Verfahren dar und ist daher teuer. Zudem kann die oberflächliche Beschichtung der fertigen Pellets leicht durch mechanische Belastung und Abrieb während der Futterverarbeitung beschädigt werden, was zur Verminderung bzw. bis zum vollständigen Verlust des Schutzes führen kann. Deshalb ist es auch nicht möglich, die geschützten Methioninpellets in ein grösseres Mischfutterpellet zu verarbeiten und neu zu pelletieren, da dadurch wiederum die schützende Schicht durch die mechanische Beanspruchung aufbrechen würde. Dies schränkt die Verwendung solcher Produkte stark ein, da die Mischfutterpelletierung eine weit verbreitete Methode der Futterverarbeitung darstellt.
b) Chemischer Schutz:
Eine erhöhte Pansenstabilität von Methionin kann neben den rein physikalischen Schutzmöglichkeiten auch durch Modifikation der chemischen Struktur, beispielsweise durch Veresterung der Carbonsäuregruppe, erreicht werden. Zurzeit sind folgende Produkte kommerziell erhältlich oder in der Literatur beschrieben:
i) Methioninester wie z.B. D,L-tert-Butylmethionin: Die Ester wurden getestet und zeigten nur einen moderate Pansenstabilität (Loerch und Oke; "Rumen Protected Amino Acids in Ruminant Nutrition" in "Absorption and Utilization of Amino Acids" Vol. 3, 1989, 187-200, CRC Press Boca Raton, Florida). Für D,L-tert-Butylmethionin wurde dagegen in WO 0028835 eine Biowertigkeit von 80% veröffentlicht.
ii) Metasmart<TM> von Adisseo ist der racemische iso-Propylester von MHA (HMBi). Diese Verbindung wird auch unter dem Trademark "Sequent" von der amerikanischen Firma Novus vermarktet. In WO 00/28835 wurde eine Biowertigkeit von mindestens 50% für HMBi bei Wiederkäuern veröffentlicht. Dabei spielt vor allem die überraschend schnelle Absorption des hydrophoben HMBi's über die Pansenwand eine entscheidende Rolle. Der Ester kann dann im Blut zu MHA hydrolysiert und nach Oxidation und anschliessender Transaminierung zum L-Methionin umgewandelt werden. Im Patent EP 1358805 wurde eine vergleichbare Biowertigkeit für HMBi publiziert. Bei diesen Untersuchungen war HMBi auf einem porösen Träger aufgebracht. In einer weiteren Veröffentlichung wurde von der Europäischen Kommission berichtet, dass wiederum ca. 50% HMBi über die Pansenwand absorbiert werden (European Commission: Report of the Scientific Committee an Animal Nutrition an the Use of HMBi; 25 April 2003). Graulet et al. veröffentlichte 2004 im Journal of Animal and Feed Science (269), dass durch die lipophilen Eigenschaften der iso-Propylgruppe von HMBi eine bessere Diffusion über die Pansenwand ermöglicht wird.
Zur Herstellung von HMBi sind zwei verschiedene Verfahren veröffentlicht worden. So kann HMBi entweder direkt in einer Stufe aus dem entsprechenden Cyanhydrin (WO 00-59877) dargestellt werden. Die Veresterung zum iso-Propylester erfolgt dabei in situ, ohne zuvor MHA isolieren zu müssen. Ein anderes Verfahren verestert dagegen reines MHA mit iso-Propanol (WO 01-58864 und WO 01-56980). In beiden Fällen wird zur Synthese Blausäure verwendet, die teuer ist und zudem ein grosses Gefahrenpotenzial in sich birgt.
iii) Ketomethionin und seine Carbonsäurederivate: Die Anwendung dieser Verbindungsklasse insbesondere von Ketomethionin selbst als Futtermitteladditive wurde erst vor kurzem in Anmeldung WO 2006-072711 beschrieben. Dort wurde auch ein technisches Verfahren zur Herstellung von Ketomethionin und seiner Carbonsäurederivate beschrieben. Ketomethionin stellt die direkte Vorstufe von Methionin dar und kann im Organismus in einem Schritt mittels Transaminierung leicht zu L-Methionin umgesetzt werden. Im Vergleich dazu besitzen sowohl MHA als auch HMBi den Nachteil, dass sie zwei bzw. drei Schritte zur Umwandlung zu L-Methionin im Organismus benötigen. So muss HMBi zuerst zu freiem MHA hydrolysiert und anschliessend mit Hilfe einer Oxidase zum Ketomethionin oxidiert werden. Erst dann kann wiederum das Ketomethionin direkt zu L-Methionin reduktiv aminiert werden [Baker; "Utilization of Precursors for L-Amino Acids" in "Amino Acids in Farm Animal Nutrition" (D'Mello, J.P.F., ed.), 1994, 37-64. CAB Intl., Wallingford, Oxon, UK.]
Das freie Ketomethionin als [alpha]-Ketocarbonsäure und seine Salze wie z.B. das Natrium- oder Calciumsalz sind bereits seit längerer Zeit literaturbekannte Verbindungen und wurden sowohl biochemisch als auch chemisch hergestellt. Meister erhielt beispielsweise das Natriumsalz von [alpha]-Ketomethionin in einer Ausbeute von 77% durch die L-Aminooxidasen katalysierte Oxidation von Methionin (Meister, J. Biol. Chem. 1952, 197, 309). Zuvor zeigte Waelsch et al., dass, die in Leber enthaltenen Aminooxidasen, Methionin zu [alpha]-Ketomethionin umwandeln können (Waelsch et al., J. Am. Chem. Soc. 1938, 61, 2252). Mosbach et al. beschrieb ebenfalls die Herstellung von Ketomethionin durch die L-Aminooxidasen katalytisierte Oxidation von Methionin. Dabei wurden immobilisierte Providencia sp. PCM 1298 Zellen verwendet (Mosbach et al., Enzyme Microb. Technol. 1982, 4, 409).
Als weitere Synthesemöglichkeit veröffentlichte Sakurai et al. 1957 die erste chemische Syntheseroute zur Darstellung von a-Ketomethionin. Dabei wurde als Schlüsselschritt Methyl-[alpha]-methoxalyl-[gamma]-methylmercapto-propionat mit verdünnter Salzsäure zu Ketomethionin hydrolysiert (Sakurai et al., J. of Biochemistry 1957, 44, 9, 557). Yamada et al. publizierte fast zeitgleich dieselbe Syntheseroute, nachdem erste Versuche zur Darstellung von [alpha]-Ketomethionin über einen intermediär gebildeten [alpha]-Oximoester lediglich niedrige Ausbeute lieferten (Chibata et al., Bull. Agr. Chem. Soc. Japan 1957, 21, 6, 336).
Die Biowertigkeit des Natriumsalzep von [alpha]-Ketomethionin wurde erstmals 1977 in Fütterungsversuchen bei Nagetieren und Geflügel bestimmt und liegt deutlich über der von MHA (Baker und Harter, Proceedings for the Society for Experimental Biology and Medicine 1977, 156, 2001). Bei Wiederkäuern wird [alpha]-Ketomethionin bzw. dessen Salze jedoch im Pansen abgebaut und bietet daher keinerlei Vorteile gegenüber HMB oder Methionin. Als freie [alpha]-Ketocarbonsäure hat [alpha]-Ketomethionin zudem noch den Nachteil, dass es in kürzester Zeit dimerisiert und anschliessend irreversibel cyclisiert und daher als biowertiges Monomer nicht stabil ist, und sich daher einer direkten Verwendung als Futtermitteladditiv entzieht.
Aufgabe der Erfindung
Vor dem Hintergrund der Nachteile des Standes der Technik war es die Aufgabe, ein pansenstabiles, chemisch geschütztes Methioninprodukt für Wiederkäuer, insbesondere für Milchkühe bereitzustellen, das den Tieren als effiziente Methioninquelle dienen kann und die Nachteile der bekannten Produkte nicht oder in verringertem Umfang aufweist. Dies hätte den Vorteil, dass sich damit die Milchproduktion und -qualität erhöhen lassen könnte, was zu einer deutlichen Steigerung der Wirtschaftlichkeit führen würde.
Eine weitere Aufgabe war es, ein Futtermittel bzw. einen Futtermittelzusatzstoff mit sehr hoher Biowertigkeit aufzufinden, das gute Handhabbarkeit und Lagerfähigkeit sowie Stabilität unter den üblichen Bedingungen der Mischfutterverarbeitung, insbesondere der Pelletierung aufweisen sollte. Das Produkt sollte darüber hinaus möglichst generell als Futtermittelzusatzstoff in der Tierernährung einsetzbar sein.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschliessbar sind durch die erfindungsgemässen Ketomethioninketale und deren Derivate gemäss Formel I, insbesondere deren Verwendung als Futtermittel, vorzugsweise für Wiederkäuer. Damit werden sowohl die Nachteile der "physikalisch geschützten" Methioninvarianten wie z.B. Smartamine als auch die Nachteile der "chemisch geschützten" Varianten wie z.B. HMBi überwunden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine chemische Verbindung der allgemeinen Formel I
EMI8.1
wobei A =
EMI8.2
und R = OH, OM, OR', NH2, NHR' oder NR'R'' ist, wobei
R<1>, R<2>, R' und R'' gleich oder verschieden ist und jeweils ein verzweigtes oder geradkettiges C1-C18-Alkyl- bzw.
C3-C18-Cycloalkyl-,
Allyl-,
Benzyl-,
Phenyl- oder
C1-C18-Alkyloxymethyl-, vorzugsweise C2H5OCH2
C2-C6-Hydroxyalkyl-, vorzugsweise HOC2H4-,
C3-C6-Dihydroxyalkyl-, vorzugsweise (HO)2C3H5-, oder ein C3-C12-Zuckerrest, bei dem eine OH-Gruppe des Zuckers jeweils vom Ketal-O-Atom, vom Carbonsäure- O-Atom oder vom Carbonsäureamid-N-Atom ersetzt ist und
M ein Alkali- oder Erdalkaliion, vorzugsweise Na<+>, K<+>, Mg<2+> oder Ca<2+> oder ein ein- bzw. zweiwertiges Übergangsmetallion, vorzugsweise Zn<2><+>, Mn<2><+>, Cu<2+> oder Cr<2+> ist,
oder A =
EMI9.1
und R = OH, OM, OR', NH2, NHR' oder NR'R'' ist,
wobei R' und R'' gleich oder verschieden ist und jeweils ein verzweigtes oder geradkettiges C1-C18-Alkyl- bzw.
C3-C18-Cycloalkyl-,
Allyl-,
Benzyl-,
Phenyl- oder
C1-C18-Alkyloxymethyl-, vorzugsweise C2H5OCH2-,
C2-C6-Hydroxyalkyl-, vorzugsweise HOC2H4-,
C3-C6-Dihydroxyalkyl-, vorzugsweise (HO)2C3H5-, oder ein C3-C12-Zuckerrest, bei dem eine OH-Gruppe des Zuckers vom Carbonsäure-O-Atom oder vom Carbonsäureamid-N-Atom ersetzt ist und
M ein Alkali- oder Erdalkaliion, vorzugsweise Na<+>, K<+>, Mg<2+> oder Ca<2+> oder ein ein- bzw. zweiwertiges Übergangsmetallion, vorzugsweise Zn<2><+>, Mn<2><+>, Cu<2+> oder Cr<2+> ist,
und R<3> eine C2-C4-Alkylenbrücke darstellt, vorzugsweise C2H4, oder einen C3-C12-Zuckerrest, bei dem zwei OH-Gruppen des Zuckers von den beiden Ketal-O-Atomen ersetzt sind,
oder A =
EMI10.1
und R<4> ein C3-C6-Alkylenrest, der ggf. Hydroxysubstituiert ist, vorzugsweise -CH2-C(CH3)2-CH2- und -CH2-C(CH2OH)2-CH2- ist, oder ein C3-C12-Zuckerrest, bei dem eine OH-Gruppe des Zuckers vom Ketal-O-Atom und eine vom Carbonsäure-O-Atom ersetzt ist,
oder A =
EMI10.2
und R<5> ein C3-C6-Alkylenrest, der ggf. hydroxysubstituiert ist, vorzugsweise -CH2-CH(-)-CH2-, ist, oder ein C3-C12-Zuckerrest, bei dem drei OH-Gruppen des Zuckers von beiden Ketal-O-Atomen und vom Carbonsäure-O-Atom ersetzt sind,
oder A =
EMI11.1
und R<5> ein C3-C6-Alkylenrest, der ggf. hydroxysubstituiert ist, vorzugsweise -CH2-CH(-)-CH2-, oder ein C3-C12-Zuckerrest, bei dem zwei OH-Gruppen des Zuckers von den beiden Ketal-O-Atomen ersetzt sind, und wobei X = H oder M ist und M die oben angegebene Bedeutung hat.
Bevorzugt ist dabei eine Verbindung der Formel I, 2, bei der R = Hydroxy und R<3> = C2H4 ist:
EMI11.2
Diese ist leicht herstellbar durch Ketalisierung von Ketomethionin mit stöchiometrischen Mengen Ethylenglykol in Gegenwart saurer Katalysatoren oder mit überstöchiometrischen Mengen Ethylenglykol und anschliessende Verseifung des intermediär gebildeten Ketomethioninethylenketalethylenglykolesters mit Alkali und nachfolgender Neutralisation (vgl. Beispiel 2).
Weiterhin bevorzugt ist eine Verbindung gemäss Formel I, 2, bei der R = OR' und R' = C1-C18-Alkyloxy und R<3> = C2H4 ist. Diese Verbindung kann hergestellt werden durch Veresterung von Ketomethionin mit einem entsprechenden C1-C18-Alkohol in Gegenwart saurer Katalysatoren und vorzugsweise anschliessender Ketalisierung mit Ethylenglykol.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Verbindung gemäss Formel I, 2, bei der R' = C1-C4-Alkyloxy ist.
Weiterhin bevorzugt ist eine Verbindung gemäss Formel I, 2, bei der R = OR' und R' = Hydroxyethoxy und R<3> = C2H4 ist:
EMI12.1
Darüber hinaus bevorzugt ist eine Verbindung gemäss Formel I, 3, bei der R<4> ein C5H10-Rest oder ein C5H10O2-Rest ist.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Verbindung, gekennzeichnet durch die Formel
EMI12.2
welche aus Ketomethionin und Neopentylidenglykol in Gegenwart saurer Katalysatoren hergestellt werden kann.
Ebenso bevorzugt ist eine analoge Verbindung der Formel
EMI12.3
welche aus Ketomethionin und Pentaerythrit in Gegenwart saurer Katalysatoren hergestellt werden kann.
Weiterhin bevorzugt ist eine Verbindung gemäss Formel I, 4, bei der R<5> ein C3H5-Rest ist.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Verbindung gekennzeichnet durch die Formel (1,2-Ketal)
EMI13.1
oder die isomere Formel (1,3-Ketal)
EMI13.2
Beide Verbindungen - das 1,2-Ketal und das 1,3-Ketal - können aus Ketomethionin und Glycerin in Gegenwart saurer Katalysatoren, vorzugsweise unter wasserentziehenden Bedingungen hergestellt werden.
Alle Verbindungen der allgemeinen Formel I eignen sich erfindungsgemäss hervorragend zur Verwendung in der Tierernährung, vorzugsweise zur Ernährung von Nutztieren.
Dabei bevorzugt ist die Verwendung zur Ernährung von Wiederkäuern, insbesondere von Milchkühen.
Zu diesem Zweck können die erfindungsgemässen Verbindungen zur Herstellung von Futtermitteln verwendet werden.
Dabei wiederum bevorzugt ist die Verwendung zur Herstellung von Futtermitteln für Wiederkäuer.
Ebenso Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Futtermittelzubereitungen, enthaltend mindestens eine der vorstehend genannten erfindungsgemässen Verbindungen, vorzugsweise zur Ernährung von Wiederkäuern.
Demgemäss können Mischungen der erfindungsgemässen Verbindungen mit gängigen Futtermitteln hergestellt werden.
Dazu
werden die erfindungsgemässen Verbindungen in geeigneten Mengen in handelsübliche Futterarten, wie Mineralfutter, organische Futter (z.B. Sojaschrot) oder Milchleistungsfutter eingemischt.
Geeignete Mengen sind in der Regel Anteile von 0,1% bis 5% an Methioninäquivalenten in Form der erfindungsgemässen Verbindungen, wobei die Anteile je nach Futterart verschieden sind. Milchleistungsfutter wird vorzugsweise mit < 0.5% an Methioninäquivalenten gemischt, Mineralfutter mit bis zu 5% und organische Futter im Bereich von 0,5 bis 3%, vorzugsweise bis 1%. Ein Methioninäquivalent ist in diesem Zusammenhang der Gewichtsanteil an erfindungsgemässer Verbindung, der der gleichen Menge an Methionin auf molarer Basis entspricht.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäure- oder Esterverbindungen der allgemeinen Formel I, 1-5, wobei im Falle von Formel I, 1 und 2 der Rest R nicht OM, NH2, NHR' oder NR'R'' ist, dadurch gekennzeichnet, dass man Ketomethionin mit einem entsprechenden einwertigen, zweiwertigen, dreiwertigen Alkohol oder einem C3-C12-Zucker in Gegenwart saurer Katalysatoren zum Esterprodukt der Formel 1-2, mit R = OR', oder zum Esterprodukt 3-4 oder zum Säureprodukt 1-2, mit R = OH, oder zum Säureprodukt 5 mit X = H umsetzt.
Entsprechend der genannten bevorzugten Verbindungen wird dabei ein Verfahren bevorzugt, bei dem als Alkohol ein verzweigter oder geradekettiger C1-C18-Alkylalkohol bzw. C3-C18-Cycloalkylalkohol, Allylalkohol, Benzylalkohol, Phenylalkohol, C2-C6-Hydroxyalkylalkohol, vorzugsweise HOC2H4OH, C3-C6-Dihydroxyalkylalkohol, vorzugsweise Glycerin, oder einen C3-C12-Zucker, bevorzugt Glycerinaldehyd, Dihydroxyaceton, Glucose, Fructose oder Saccharose eingesetzt werden.
Dabei kann insbesondere durch geeignete Auswahl der Menge der Moläquivalente des zur Ketalisierung benötigten Alkohols bzw. Zuckers die Bildung des gewünschten Produktes beeinflusst werden. Bei Verwendung von einem Moläquivalent C1-C18-Alkylalkohol bildet sich bevorzugt der nichterfindungsgemässe entsprechende Ester, bei Verwendung von zwei Moläquivalenten bildet sich bevorzugt das Carbonsäureketal der Formel I, 1 mit R = OH und bei Verwendung von drei Moläquivalenten bevorzugt die entsprechenden Esterketale der Formel I, 1 mit R = OR'. Entsprechend wird bei Einsatz von einem halben Moläquivalent C2-C6-Hydroxyalkylalkohol - wie z.B. HOC2H4OH-, entsprechend zwei Hydroxyäquivalenten das entsprechende Carbonsäureketal der Formel I, 2 mit R = OH und R<3> = C2H4 gebildet.
Die Herstellung der Carbonsäure- oder Esterverbindungen kann vorteilhaft in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt werden. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol oder Toluol sowie chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Methylenchlorid oder Chloroform und Alkohole.
Im Interesse einer möglichst hohen Ausbeute an gewünschten Kondensationsprodukten wird dabei ein Verfahren bevorzugt, bei dem während der Reaktion entstehendes Wasser aus dem Gleichgewicht entfernt wird. Dies kann sowohl destillativ, vorzugsweise durch Verwendung eines Lösungsmittels und/oder Schleppmittels wie beispielsweise Toluol erreicht werden. Vorteilhaft dabei ist, wenn das Lösemittel gleichzeitig Schleppmittel und ggf. noch als Reaktant fungiert. Auch können dabei die zur Veresterung bzw. Ketalisierung eingesetzten Alkohole zusätzlich als Lösungsmittel und/oder Schleppmittel verwendet werden.
Bei Verwendung als Schleppmittel sollte das Lösungsmittel einen geeigneten Siedepunkt haben. Dieser sollte in der Regel 120 deg. C nicht überschreiten. Für diesen Zweck geeignete Alkohole sind z.B. C1-C4-Alkylalkohole, also Methanol, Ethanol, 1- oder 2-Propanol und 1- oder 2-Butanol, Isobutanol, tert-Butanol.
Eine andere Möglichkeit zur Wasserentfernung besteht in der Verwendung von Wasserentziehenden Mitteln beispielsweise von Orthoestern, wie zum Beispiel Orthoessigsäuretrimethylester oder -triethylester. Die dabei als Koppelprodukte entstehenden Essigsäuremethyl- bzw. - ethylester können anschliessend leicht destillativ aus dem Reaktionsgemisch entfernt und weiterverwendet werden.
Dabei können die Carbonsäuren oder Carbonsäuresalze der allgemeinen Formel I, 1-2 oder 5, bei denen der Rest R = OH oder OM und der Rest X = H oder M ist, bevorzugt so hergestellt werden, indem ein Carbonsäureesterprodukt der Formel I, 1 oder 2 mit R = OR', oder der Formel I, 4 durch Verseifung mit einem Alkali- oder Erdalkalihydroxid oder einem ein- bzw. zweiwertigen Übergangsmetallhydroxid in das entsprechende Carbonsäuresalz der Formel I, 1 oder 2 mit R = OM bzw. der Formel 5 mit X = M überführt wird und ggf. daraus die freie Carbonsäure mit R = OH bzw. X = H mit Hilfe einer Mineralsäure freigesetzt wird. Geeignete Mineralsäuren sind dabei insbesondere Schwefelsäure, Salzsäure und Phosphorsäure.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuresalzen der allgemeinen Formel I, 1-2 oder 5, wobei der Rest R = OM bzw. der Rest X = M ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Säureprodukt der Formel I, 1-2 mit R = OH bzw. ein Säureprodukt der Formel I, 5 mit X = H mit einem Alkali- oder Erdalkali- oder einem ein- bzw. zweiwertigen Übergangsmetallhydroxid oder - carbonat zur entsprechenden Carbonsäure neutralisiert wird.
Zur Herstellung der oben genannten Carbonsäuresalze durch Verseifung oder Neutralisation werden dabei als Hydroxide NaOH, KOH, Mg(OH)2, Ca(OH)2, Zn(OH)2 oder Mn(OH)2und als Carbonate Na2CO3, K2CO3, MgCO3, CaCO3, ZnCO3 oder MnCO3 bevorzugt verwendet.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäureamiden der allgemeinen Formel I, 1-2 mit R = NH2, NHR', NR'R'', dadurch gekennzeichnet, dass ein Esterprodukt der Formel I, 1-2, mit R = OR', durch Umsetzung mit einer N-haltigen Base der Formel NH3, NH2R' oder NHR'R'' in das entsprechende Amid überführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Esterverbindungen der allgemeinen Formel I, 1-2, mit R = OR', welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Esterprodukt I, 1-2, durch Umesterung mit einem Alkalialkoholat M'OR' (M' = Alkali) in ein entsprechendes Esterprodukt der Formel I, 1-2 überführt wird, mit der Massgabe, dass R' im eingesetzten Esterprodukt I, 1-2 nicht gleich dem Rest R' im eingesetzten Alkoholat M'OR' sein darf. Einmal hergestellte Ketomethioninketalester können auf diese Weise ganz leicht in andere gewünschte Ketomethioninketalester überführt werden.
Die Ketomethioninketale der allgemeinen Formel I, 1, 2 bzw. 5 mit R = OH oder OM bzw., X = H oder M sind polare und nicht lipophile Verbindungen. Aufgrund der Ketal-Schutzgruppe sind diese Verbindungen pansenstabil und können nicht mikrobiell abgebaut werden. Durch die lipophobe Carbonsäuregruppe werden sie jedoch nicht wie HMBi über die Pansenwand absorbiert, sondern gelangen ohne Abbau in den Labmangen (Abomasum) des Wiederkäuers, wo sie aufgrund der stark sauren Bedingungen hydrolysiert werden. Die Absorption des freiwerdenden Ketomethionins erfolgt dann anschliessend im Dünndarm.
Bei den Ketomethioninketalestern der allgemeinen Formel I, 1, 2 mit R = OR' bzw. der allgemeinen Formel I, 4 handelt es sich um lipophile und nicht polare Verbindungen. Aufgrund der beiden chemischen Schutzgruppen "Ketal" und "Ester sind diese Verbindungen pansenstabil. Die Absorption erfolgt im Gegensatz zu den Ketomethioninketalen schnell und effektiv über die Pansenwand analog dem Mechanismus von HMBi. Die anschliessende enzymatische Spaltung zum freien Ketomethionin erfolgt dann im Blut des Wiederkäuers.
Die Verwendung von Ketomethioninketalen oder Ketomethioninketalester ermöglicht damit erstmals eine aktive Steuerung der Absorptionsstelle des "Methioninäquivalents".
Die Ketomethioninketale bzw. Ketomethioninketalester und deren Derivate haben mehrere Vorteile gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verbindungen:
Im Gegensatz zum freien Ketomethionin sind Ketomethioninketale, Ketomethioninketalester, Ketomethioninhalbketalester und Ketomethioninketalamide der allgemeinen Formel I in Hinblick auf Dimerisierung und Cyclisierung chemisch stabil, eine Voraussetzung für die Lagerung und Transport als Futtermitteladditive.
Die Verwendung der Verbindungen der allgemeinen Formel I erlaubt die aktive Steuerung der Absorptionsstelle im Organismus des Wiederkäuers. Dabei erfolgt die Absorption der hydrophilen Ketomethioninketale der Formel I, 1, 2 mit R = OH, OM oder der Formel I, 5 mit X = H, M im Dünndarm nach Hydrolyse im Abomasum bzw. die Absorption der lipophilen Ketomethioninketalester der allgemeinen Formel I, 1, 2 mit R = OR' bzw. der allgemeinen Formel I, 4 direkt über die Pansenwand.
Im Falle der Verwendung von bestimmten Diolen wie z.B. Ethylenglykol oder ausgewählten Triolen wie z.B. Glycerin oder Zuckern wie z.B. Glucose als Bausteine zur Ketal- bzw. Esterbildung mit Ketomethionin zu den entsprechenden Verbindungen der allgemeinen Formel I, besitzen diese zusätzlich eine nutritive Wirkung, aufgrund der im Organismus wieder freisetzbaren Zucker- bzw. Alkohol-Bausteine.
Ketomethioninketale und Ketomethioninketalester besitzen eine sehr hohe Biowertigkeit, da sie in vivo zu [alpha]-Ketomethionin hydrolysiert werden können. Die Biowertigkeit von Ketomethionin ist dabei wesentlich höher als die von MHA, da es im Gegensatz dazu in nur einer Stufe im Organismus zu L-Methionin umgewandelt werden kann. Dagegen benötigt MHA zwei und HMBi sogar drei Stufen.
Die hohe Biowertigkeit der Ketomethioninketale und Ketomethioninketalester stellt einen deutlichen wirtschaftlichen Vorteil dar, da weniger Futtermitteladditiv benötigt wird.
Aufgrund des chemischen Schutzes kann das Produkt und damit der Pansenschutz nicht durch physikalische Kräfte wie z.B. Reibung beschädigt werden. Daher ist es im Vergleich zu einer physikalisch geschützten Methioninform wie z.B. Smartamine möglich, Ketomethioninketale, Ketomethioninketalester, Ketomethioninhalbketalester und Ketomethioninketalamide der allgemeinen Formel I zu pelletieren. Dies stellt einen ausserordentlichen Vorteil dar, weil damit eine breite Verwendbarkeit bei der Mischfutter-Herstellung und -Konfektionierung sichergestellt wird.
Darüber hinaus können die genannten Verbindungen der allgemeinen Formel I generell als Futtermitteladditive in der Nutztierhaltung eingesetzt werden, also auch bei der Ernährung von Geflügel oder Schweinen.
Insbesondere Ketomethioninketale und Ketomethioninketalester können auf einfachere Art und damit zu in der Regel niedrigeren Herstellkosten als physikalisch geschützte Methioninformen produziert werden.
Die symmetrischen Ketomethioninketale der allgemeinen Formel I sind achiral im Gegensatz zu MHA, HMBi oder D,L-Methionin. Das natürliche L-Methionin wird aus diesen achiralen Vorstufen im tierischen Organismus direkt gebildet. Eine Umwandlung des unnatürlichen Enantiomeren entfällt dadurch. Die nachfolgenden Beispiele zeigen Möglichkeiten zur Herstellung der erfindungsgemässen Verbindungen auf ohne dabei beschränkend zu wirken.
Beispiele:
Beispiel 1: Freisetzung von Ketomethionin aus seinen Salzen (nicht erfindungsgemäss):
EMI21.1
Zu einer Suspension aus 43.3 g Calcium-Ketomethioninat (M = 334.42 g/mol, 98% Reinheit, in der Trockenmasse 21% Wassergehalt) in 120 ml H2O und 320 ml Diethylether wurde bei 0 deg. C unter kräftigem Rühren eine 10%ige wässrige Salzsäurelösung langsam zugetropft bis der pH-Wert < 2 erreicht wurde. Nach der Phasentrennung wurde die wässrige Phase dreimal mit je 120 ml Diethylether gewaschen. Anschliessend werden die vereinten organischen Phasen über Na2SO4 getrocknet. Nach der Filtration des Trockenmittels wurde der Diethylether am Rotationsverdampfer bei 30 deg. C und leichtem Vakuum abdestilliert. Die letzten Lösungsmittelreste wurden im Hochvakuum entfernt. Zurück blieben 29.1 g eines leicht gelblichen Öls an freiem Ketomethionin (Ausbeute = 98%, M = 148.18 g/mol).
<1>H-NMR von Calcium-Ketomethioninat 500 MHz, DMSO-d6):
[delta] = 2.04 (s, 3H, CH3), 2.62 (t, <3>J = 7.3 Hz, 2H, CH2), 2.82 (t, <3>J = 7.3 Hz, 2H, CH2).
<1>H-NMR von Ketomethionin (500 MHz, DMSO-d6):
[delta] = 2.06 (s, 3H, CH3), 2.66 (t, <3>J = 7.2 Hz, 2H, CH2), 3.09 (t, <3>J = 7.2 Hz, 2H, CH2).
<13>C-NMR von Ketomethionin (125.8 MHz, DMSO-d6): [delta] = 14.7 (CH3), 26.7 (CH2), 38.5 (CH2), 162.2 (COOH), 194.9 (CO).
Beispiel 2: Herstellung von Ketomethioninketalen der Formel I, 2 am Beispiel der Umsetzung von Ketomethionin und Ethylengykol:
EMI22.1
(I, 2 mit R<3> = C2H4 und R = OC2H4OH bzw. R = OH)
Eine Lösung von Ketomethionin (174 mmol, M = 148.18 g/mol) in Toluol (100 ml) wurde über 2 h tropfenweise zu einer Lösung von 1 g (~3 Mol%) p-Toluolsulfonsäure als Katalysator und Ethylenglykol (335 mmol, M = 62.07 g/mol) in Toluol (250 ml) zugegeben und die Reaktion solange unter Rückfluss gehalten bis sich am aufgesetzten Wasserabscheider kein weiteres Wasser mehr abschied (ca. 2 h). Anschliessend wurde das Toluol unter Vakuum abgezogen und das Rohprodukt mit Methanol (200 ml) versetzt und nach Zugabe einer wässrigen Lösung von 2M Natriumhydroxid (200 ml) für ca. 2h alkalisch verseift. Die Reaktionslösung wurde anschliessend mit Diethylether ausgeschüttelt und die wässerige Phase mit verdünnter Salzsäure angesäuert. Das Produkt wurde bei pH 1-2 mit Diethylether extrahiert, die organische Phase mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt. Das ölige Produkt (I, 2) wurde anschliessend aus Methylenchlorid/n-Hexan umkristallisiert und fiel als weisser kristalliner Feststoff an. (24.6 g, Ausbeute = 74%, M = 192,23 g/mol, Schmelzpunkt: 74 deg. C Methylenchlorid/n-Hexan).
<1>H-NMR von 2-(2-(Methylthio)ethyl)-1,3-dioxolan-2-carbonsäure (I, 2) (500 MHz, CDCl3): [delta] = 2.11 (s, 3H, SCH3), 2.24-2.28 (m, 2H, CH2), 2.58-2.61 (m, 2H, CH2), 4.07-4.14 (m, 4H, OCH2CH2O).
<13>C-NMR von 2-(2-(Methylthio)ethyl)-1,3-dioxolan-2-carbonsäure (I, 2) (125.8 MHz, CDCl3): [delta] = 15.5 (SCH3), 27.1 (CH2), 34.9 (CH2), 66.1 (2 OCH2), 105.9 (C), 174.1 (COO).
Elementaranalyse für C7H12O4S (M = 192,24 g/mol): C 43.74; H 6.29; S 16.68 Gefunden: C 43.80; H 6.25; S 16.61.
Beispiel 3: Herstellung vom Calciumsalz des Ketomethioninketals durch Neutralisation:
EMI23.1
Zu einer Lösung aus 1.0 g (5.20 mmol) 4-(Methylthio)-2-ketobuttersäure-ethylenketal in 2.0 ml Wasser und 3.0 ml Aceton wurde bei RT langsam eine wässrige Lösung aus 0.44 g Calciumacetat (93%ig) in 2 ml Wasser zugetropft. Anschliessend wurden 3 ml Aceton zugegeben und über Nacht bei RT gerührt. Der gebildete weisse Feststoff wurde abgesaugt und mit 100 ml einer 1:10 Wasser-Aceton-Mischung gründlich gewaschen. Das Produkt wurde anschliessend im Trockenschrank bzw. im Hochvakuum getrocknet. (0.96 g, Ausbeute = 82%, 6.3% Wassergehalt nach K.F.-Methode).
<1>H-NMR von Calcium 2-(2-(Methylthio)ethyl)-1,3-dioxolan-2-carboxylat (I, 2) (500 MHz, DMSO-D6): [delta] = 1.98-2.00 (m, 2H, CH2, 2.03 (s, 3H, SCH3), 2.44-2.47 (m, 2H, CH2), 3.81-3.84 (m, 2H, CH2), 3.95-4.00 (m, 2H, CH2).
<13>C-NMR von Calcium 2-(2-(Methylthio)ethyl)-1,3-dioxolan-2-carboxylat (I, 2) (125.8 MHz, DMSO-D6/DC1): [delta] = 15.1 (SCH3), 27.0 (CH2), 35.2 (CH2), 65.7, 66.0 (2 OCH2), 105.6 (C), 171.0 (COO).
Beispiel 4: Herstellung von Ketomethioninhalbketalestern I, 3 am Beispiel der Umsetzung von Ketomethionin und 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol:
EMI24.1
(I, 3 mit R<4>= -CH2C (CH3)2CH2-)
Zu einer Lösung aus 11.1 g Ketomethionin (75 mmol, M = 148.18 g/mol) in 200 ml absolutem ethanolfreiem Chloroform wurden 8.9 g 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol (85 mmol, M = 104.15 g/mol) und 0.8 g (~5 Mol%) p-Toluolsulfonsäure als Katalysator zugegeben und solange unter Rückfluss gehalten bis sich am aufgesetzten Wasserabscheider kein weiteres Wasser mehr abschied (ca. 3.5 h). Nach dem Abkühlen wurde die Lösung mit halbgesättigter NaHCO3-Lösung gewaschen, die wässrige Phase nochmals mit Chloroform rückgewaschen und die vereinten organischen Phasen über Na2SO4 getrocknet. Nach Filtration wurde das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt und das ölige Rohprodukt aus Methylenchlorid/n-Hexan kristallisiert. Das Produkt (1,3) fiel als weisser kristalliner Feststoff an (10.8 g, Ausbeute = 62%, M = 234,32 g/mol, Schmelzpunkt = 109 deg. C (Methylenchlorid/n-Hexan)).
<1>H-NMR von rac-4,4-Dimethyl-7-hydroxy-7-(2-(methylthio)ethyl)-6-oxa-caprolacton (I, 3) (500 MHz, CDCl3): [delta] = 0.92 (s, 3H, CH3), 0.99 (s, 3H, CH3), 2.04-2.19 (m, 2H, CH2), 2.08 (s, 3H, SCH3), 2.47-2.52 (m, 1H, SCHH), 2.61-2.66 (m, 1H, SCHH), 2.92 (d, <2>J = 8.0 Hz, 1H, OCHH), 3.25 (d, <2>J = 8.0 Hz, 1H, OCHH), 3.72 (d, <2>J = 10.4 Hz, 1H, COOCHH), 4.30 (d, <2>J = 10.4 Hz, 1H, COOCHH), 4.50 (s, 1H, OH).
<13>C-NMR von rac-4,4-Dimethyl-7-hydroxy-7-(2-(methylthio)ethyl)-6-oxa-caprolacton (I, 3) (125.8 MHz, CDCl3): [delta] = 15.7 (SCH3), 21.9, 21.3 (2 CH3), 27.7 (CH2), 37.7 (CH2), 66.0 (OCH2), 70.9 (OCH2), 96.5 (COH), 172.5 (COO).
Elementaranalyse für C10H18O4S (M = 234,32 g/mol): C 51.26; H 7.74; S 13.68 Gefunden: C 50.82; H 7.73; S 13.52.
Beispiel 5: Herstellung von Ketomethioninketalestern I, 4 am Beispiel der Umsetzung von Ketomethionin und Glycerin:
EMI25.1
Zu einer Lösung aus 12.0 g Keto-Methionin (81 mmol, M = 148.18 g/mol) in 120 ml absolutem Toluol wurden 7.8 g Glycerin (1,2,3-Propantriol) (85 mmol, M = 92.09 g/mol) und 0.8 g (~5 Mol%) p-Toluolsulfonsäure als Katalysator zugegeben und solange unter Rückfluss gehalten bis sich am aufgesetzten Wasserabscheider kein weiteres Wasser mehr abschied (ca. 2.5 h). Nach dem Abkühlen wurde die Lösung mit halbgesättigter NaHCO3-Lösung gewaschen, die wässrige Phase nochmals mit Chloroform rückgewaschen und die vereinten organischen Phasen über Na2SO4 getrocknet. Nach Filtration wurde das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt und das ölige Rohprodukt (Verhältnis (1,3-Ketal: 1,2-Ketal = 70:30) chromatographiert (Diethylether/n-Hexan 1:1). Dabei wurden die beiden Verbindungen voneinander getrennt. Das Hauptprodukt (1,3-Ketal) kristallisierte in Form farbloser Nadeln aus einer Mischung aus Methylenchlorid/n-Hexan aus (8.8 g, Ausbeute = 53%, M = 204,25 g/mol, Schmelzpunkt = 39.5 deg. C (Methylenchlorid/n-Hexan)).
<1>H-NMR von 4-(2-(Methylthio)ethyl)-2,5,8-trioxabicyclo[2.2.2]-octan-3-on (1,3-Ketal) (500 MHz, CDCl3): [delta] = 2.13 (s, 3H, SCH3), 2.17-2.20 (m, 2H, CH2), 2.65-2.68 (m, 2H, CH2), 4.12-4.13 (m, 4H, 2CH2), 4.76 (s, 1H, CH).
<13>C-NMR von 4-(2-(Methylthio)ethyl)-2,5,8-trioxabicyclo[2.2.2]-octan-3-on (1,3-Ketal) (125.8 MHz, CDCl3): [delta] = 15.4 (SCH3), 26.9 (CH2), 33.2 (CH2), 66.5 (2 OCH2), 70.9 (CH), 92.9 (C), 166.2 (COO).
Elementaranalyse für C8H12O4S (M = 204,25 g/mol): C 47.04; H 5.92; S 15.70 Gefunden: C 47.21; H 5.93; S 15.69.
Beispiel 6: Herstellung von Ketomethioninketalsaizen der Formel I, 5 am Beispiel der Verseifung von 1,2-Ketal bzw. 1,3-Ketal aus Beispiel 5:
EMI26.1
Zu einer Suspension aus 50 mg (0.24 mmol) des 1,3-Ketals aus Beispiel 5 in 1.0 ml Methanol und 1.5 ml Wasser wurde bei RT 15 mg Kaliumhydroxid zugegeben und die Lösung 30 Min bei RT gerührt. Nach Entfernen des Lösungsmittels und Trocknung unter Vakuum wurde das Produkt als ein weisser Feststoff erhalten. (0.60 g, Ausbeute = 96%).
<1>H-NMR von Kalium 5-hydroxy-2-(2-(methylthio)ethyl)-1,3-dioxan-2-carboxylat (500 MHz, D2O/TSP): [delta] = 1.96-2.02 (m, 2H, CH2), 2.10 (t, 3H, CH3), 2.51-2.54 (m, 2H, CH2), 3.48-3.52 (m, 2H, CH2), 3.81-3.87 (m, 1H, CH), 3.98-4.01 (m, 2H, CH2).
(c)DE102006055470 (A1), 2008-05-29,KOBLER CHRISTOPH; HATELEY MARTIN; ROTH PHILIPP; JAEGER BARBARA; PETER RAINER; WECKBECKER CHRISTOPH; HUTHMACHER KLAUS
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Stand der Technik
Aminosäuren wie Methionin, Lysin oder Threonin sind als Futtermitteladditive wichtige Bestandteile der Tierernährung. Sie ermöglichen ein schnelleres Wachstum sowie eine effizientere Verwertung des Futters. Dies stellt meist einen deutlichen wirtschaftlichen Vorteil dar. Die Märkte für Futtermitteladditive sind von grosser industrieller und wirtschaftlicher Bedeutung. Zudem sind sie starke Wachstumsmärkte, was nicht zuletzt auf die steigende Bedeutung von Ländern wie beispielsweise China und Indien zurückzuführen ist.
Aus WO 2004008874 ist unter anderem bekannt, dass Methionin für vielen Tierarten, darunter auch Wiederkäuer, die erste limitierende Aminosäure darstellt. So ist beispielsweise bei Milchkühen die effiziente Milchproduktion hinsichtlich der Menge und Qualität sehr stark von einer ausreichenden Zufuhr von Methionin abhängig. Der Methioninbedarf von Hochleistungsmilchkühen kann dabei nicht durch das im Pansen gebildete Mikrobeneiweiss bzw. durch im Pansen nicht abgebautes Eiweiss aus dem Futter gedeckt werden (Graulet et al., J. Animal and Feed Sciences (2004), 269). Es ist daher vorteilhaft, Methionin dem Futter zu supplementieren, um die Wirtschaftlichkeit der Milchproduktion und die Qualität der Milch zu erhöhen.
Bei monogastrischen Tieren wie z.B. Geflügel und Schweinen wird üblicherweise Methionin und das Methionin-Hydroxy-Analog (MHA), welches auch als Hydroxymethylthiobuttersäure (HMB) bezeichnet wird, als Futtermitteladditiv verwendet. Dadurch wird die verfügbare Menge an L-Methionin im Organismus erhöht, die dann dem Tier zum Wachstum zur Verfügung stehen kann.
Im Gegensatz dazu ist die Supplementierung des Futters mit Methionin bei Wiederkäuern nicht effektiv, da die Hauptmenge im Pansen (Rumen) der Wiederkäuer durch Mikroben abgebaut wird. Aufgrund dieses Abbaus gelangt daher nur ein Bruchteil des supplementierten Methionins in den Dünndarm des Tiers, wo im Allgemeinen die Absorption des Methionins ins Blut erfolgt.
In WO 99/04647 wird die Verwendung von MHA für Wiederkäuer beschrieben. Darin wird behauptet, dass MHA nur zum Teil im Pansen abgebaut wird und daher mindestens 20-40% des supplementierten MHAs nach Absorption im Dünndarm in den Stoffwechsel gelangen können. In zahlreichen anderen Publikationen wird dagegen die Wirkungsweise von MHA beim Wiederkäuer unterschiedlich diskutiert. So wird beispielsweise in WO 200028835 beschrieben, dass MHA nur dann den Pansen erfolgreich passieren und schlussendlich zur Absorption in den Dünndarm gelangen kann, wenn MHA in sehr grossen Mengen von 60-1208/Tag/Tier verabreicht wird. Dadurch ist jedoch eine Wirtschaftlichkeit nicht mehr gegeben.
Damit dem Wiederkäuer Methioninprodukte wie D,L-Methionin bzw. rac-MHA mit hoher Effizienz zur Verfügung stehen, muss eine vor dem Pansenabbau geschützte Form eingesetzt werden. Die Herausforderung ist hierbei, ein geeignetes Methioninprodukt aufzufinden, das dem Methionin eine möglichst hohe Pansenstabilität verleiht und trotzdem eine hohe und effiziente Absorption des Methionins im Darm gewährleistet. Dabei gibt es mehrere Möglichkeiten, dem D,L-Methionin oder rac-MHA diese Eigenschaften zu verleihen:
a) Physikalischer Schutz:
Durch Anbringung einer geeigneten Schutzschicht bzw. Verteilung des Methionins in einer Schutzmatrix kann eine hohe Pansenstabiliät erreicht werden. Dadurch kann das Methionin den Pansen praktisch ohne Verlust passieren. Im weiteren Verlauf wird die Schutzschicht dann z.B. im Labmagen durch saure Hydrolyse geöffnet oder entfernt und das freiwerdende Methionin kann dann im Dünndarm vom Tier absorbiert werden. Die Schutzschicht bzw. -matrix kann aus einer Kombination von mehreren Substanzen wie z.B. Lipiden, anorganische Materialien und Kohlenhydraten bestehen. Folgende Produktformen sind kommerziell erhältlich:
i) Met-Plus<TM> von Nisso America ist ein lipidgeschütztes Methionin mit einem D,L-Methioningehalt von 65%. Die Schutzmatrix besteht aus den Calciumsalzen langkettiger Fettsäuren wie z.B. Laurinsäure. Als Konservierungsstoff dient butyliertes Hydroxytoluol.
ii) Mepron<(RTM)> M85 von Degussa AG ist ein kohlenhydratgeschütztes Methionin, das einen Kern aus D,L-Methionin, Stärke und Stearinsäure besitzt. Als Schutzschicht wird Ethylcellulose verwendet. Das Produkt hat einen Gehalt von 85% D,L-Methionin.
iii) Smartamine<TM> M von Adisseo ist ein polymergeschütztes Methionin. Die Pellets enthalten neben Stearinsäure mind. 70% D,L-Methionin. Die Schutzschicht enthält Vinylpyridin-Styrol-Copolymer.
Obwohl der physikalische Schutz den mikrobiellen Abbau des Methionins im Pansen verhindert und dadurch die Zufuhr und Verwertung von Methionin im Tier erhöht werden kann, gibt es einige gravierende Nachteile.
Die Herstellung bzw. die Beschichtung von Methionin stellt meist ein technisch kompliziertes und aufwendiges Verfahren dar und ist daher teuer. Zudem kann die oberflächliche Beschichtung der fertigen Pellets leicht durch mechanische Belastung und Abrieb während der Futterverarbeitung beschädigt werden, was zur Verminderung bzw. bis zum vollständigen Verlust des Schutzes führen kann. Deshalb ist es auch nicht möglich, die geschützten Methioninpellets in ein grösseres Mischfutterpellet zu verarbeiten und neu zu pelletieren, da dadurch wiederum die schützende Schicht durch die mechanische Beanspruchung aufbrechen würde. Dies schränkt die Verwendung solcher Produkte stark ein, da die Mischfutterpelletierung eine weit verbreitete Methode der Futterverarbeitung darstellt.
b) Chemischer Schutz:
Eine erhöhte Pansenstabilität von Methionin kann neben den rein physikalischen Schutzmöglichkeiten auch durch Modifikation der chemischen Struktur, beispielsweise durch Veresterung der Carbonsäuregruppe, erreicht werden. Zurzeit sind folgende Produkte kommerziell erhältlich oder in der Literatur beschrieben:
i) Methioninester wie z.B. D,L-tert-Butylmethionin: Die Ester wurden getestet und zeigten nur einen moderate Pansenstabilität (Loerch und Oke; "Rumen Protected Amino Acids in Ruminant Nutrition" in "Absorption and Utilization of Amino Acids" Vol. 3, 1989, 187-200, CRC Press Boca Raton, Florida). Für D,L-tert-Butylmethionin wurde dagegen in WO 0028835 eine Biowertigkeit von 80% veröffentlicht.
ii) Metasmart<TM> von Adisseo ist der racemische iso-Propylester von MHA (HMBi). Diese Verbindung wird auch unter dem Trademark "Sequent" von der amerikanischen Firma Novus vermarktet. In WO 00/28835 wurde eine Biowertigkeit von mindestens 50% für HMBi bei Wiederkäuern veröffentlicht. Dabei spielt vor allem die überraschend schnelle Absorption des hydrophoben HMBi's über die Pansenwand eine entscheidende Rolle. Der Ester kann dann im Blut zu MHA hydrolysiert und nach Oxidation und anschliessender Transaminierung zum L-Methionin umgewandelt werden. Im Patent EP 1358805 wurde eine vergleichbare Biowertigkeit für HMBi publiziert. Bei diesen Untersuchungen war HMBi auf einem porösen Träger aufgebracht. In einer weiteren Veröffentlichung wurde von der Europäischen Kommission berichtet, dass wiederum ca. 50% HMBi über die Pansenwand absorbiert werden (European Commission: Report of the Scientific Committee an Animal Nutrition an the Use of HMBi; 25 April 2003). Graulet et al. veröffentlichte 2004 im Journal of Animal and Feed Science (269), dass durch die lipophilen Eigenschaften der iso-Propylgruppe von HMBi eine bessere Diffusion über die Pansenwand ermöglicht wird.
Zur Herstellung von HMBi sind zwei verschiedene Verfahren veröffentlicht worden. So kann HMBi entweder direkt in einer Stufe aus dem entsprechenden Cyanhydrin (WO 00-59877) dargestellt werden. Die Veresterung zum iso-Propylester erfolgt dabei in situ, ohne zuvor MHA isolieren zu müssen. Ein anderes Verfahren verestert dagegen reines MHA mit iso-Propanol (WO 01-58864 und WO 01-56980). In beiden Fällen wird zur Synthese Blausäure verwendet, die teuer ist und zudem ein grosses Gefahrenpotenzial in sich birgt.
iii) Ketomethionin und seine Carbonsäurederivate: Die Anwendung dieser Verbindungsklasse insbesondere von Ketomethionin selbst als Futtermitteladditive wurde erst vor kurzem in Anmeldung WO 2006-072711 beschrieben. Dort wurde auch ein technisches Verfahren zur Herstellung von Ketomethionin und seiner Carbonsäurederivate beschrieben. Ketomethionin stellt die direkte Vorstufe von Methionin dar und kann im Organismus in einem Schritt mittels Transaminierung leicht zu L-Methionin umgesetzt werden. Im Vergleich dazu besitzen sowohl MHA als auch HMBi den Nachteil, dass sie zwei bzw. drei Schritte zur Umwandlung zu L-Methionin im Organismus benötigen. So muss HMBi zuerst zu freiem MHA hydrolysiert und anschliessend mit Hilfe einer Oxidase zum Ketomethionin oxidiert werden. Erst dann kann wiederum das Ketomethionin direkt zu L-Methionin reduktiv aminiert werden [Baker; "Utilization of Precursors for L-Amino Acids" in "Amino Acids in Farm Animal Nutrition" (D'Mello, J.P.F., ed.), 1994, 37-64. CAB Intl., Wallingford, Oxon, UK.]
Das freie Ketomethionin als [alpha]-Ketocarbonsäure und seine Salze wie z.B. das Natrium- oder Calciumsalz sind bereits seit längerer Zeit literaturbekannte Verbindungen und wurden sowohl biochemisch als auch chemisch hergestellt. Meister erhielt beispielsweise das Natriumsalz von [alpha]-Ketomethionin in einer Ausbeute von 77% durch die L-Aminooxidasen katalysierte Oxidation von Methionin (Meister, J. Biol. Chem. 1952, 197, 309). Zuvor zeigte Waelsch et al., dass, die in Leber enthaltenen Aminooxidasen, Methionin zu [alpha]-Ketomethionin umwandeln können (Waelsch et al., J. Am. Chem. Soc. 1938, 61, 2252). Mosbach et al. beschrieb ebenfalls die Herstellung von Ketomethionin durch die L-Aminooxidasen katalytisierte Oxidation von Methionin. Dabei wurden immobilisierte Providencia sp. PCM 1298 Zellen verwendet (Mosbach et al., Enzyme Microb. Technol. 1982, 4, 409).
Als weitere Synthesemöglichkeit veröffentlichte Sakurai et al. 1957 die erste chemische Syntheseroute zur Darstellung von a-Ketomethionin. Dabei wurde als Schlüsselschritt Methyl-[alpha]-methoxalyl-[gamma]-methylmercapto-propionat mit verdünnter Salzsäure zu Ketomethionin hydrolysiert (Sakurai et al., J. of Biochemistry 1957, 44, 9, 557). Yamada et al. publizierte fast zeitgleich dieselbe Syntheseroute, nachdem erste Versuche zur Darstellung von [alpha]-Ketomethionin über einen intermediär gebildeten [alpha]-Oximoester lediglich niedrige Ausbeute lieferten (Chibata et al., Bull. Agr. Chem. Soc. Japan 1957, 21, 6, 336).
Die Biowertigkeit des Natriumsalzep von [alpha]-Ketomethionin wurde erstmals 1977 in Fütterungsversuchen bei Nagetieren und Geflügel bestimmt und liegt deutlich über der von MHA (Baker und Harter, Proceedings for the Society for Experimental Biology and Medicine 1977, 156, 2001). Bei Wiederkäuern wird [alpha]-Ketomethionin bzw. dessen Salze jedoch im Pansen abgebaut und bietet daher keinerlei Vorteile gegenüber HMB oder Methionin. Als freie [alpha]-Ketocarbonsäure hat [alpha]-Ketomethionin zudem noch den Nachteil, dass es in kürzester Zeit dimerisiert und anschliessend irreversibel cyclisiert und daher als biowertiges Monomer nicht stabil ist, und sich daher einer direkten Verwendung als Futtermitteladditiv entzieht.
Aufgabe der Erfindung
Vor dem Hintergrund der Nachteile des Standes der Technik war es die Aufgabe, ein pansenstabiles, chemisch geschütztes Methioninprodukt für Wiederkäuer, insbesondere für Milchkühe bereitzustellen, das den Tieren als effiziente Methioninquelle dienen kann und die Nachteile der bekannten Produkte nicht oder in verringertem Umfang aufweist. Dies hätte den Vorteil, dass sich damit die Milchproduktion und -qualität erhöhen lassen könnte, was zu einer deutlichen Steigerung der Wirtschaftlichkeit führen würde.
Eine weitere Aufgabe war es, ein Futtermittel bzw. einen Futtermittelzusatzstoff mit sehr hoher Biowertigkeit aufzufinden, das gute Handhabbarkeit und Lagerfähigkeit sowie Stabilität unter den üblichen Bedingungen der Mischfutterverarbeitung, insbesondere der Pelletierung aufweisen sollte. Das Produkt sollte darüber hinaus möglichst generell als Futtermittelzusatzstoff in der Tierernährung einsetzbar sein.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschliessbar sind durch die erfindungsgemässen Ketomethioninketale und deren Derivate gemäss Formel I, insbesondere deren Verwendung als Futtermittel, vorzugsweise für Wiederkäuer. Damit werden sowohl die Nachteile der "physikalisch geschützten" Methioninvarianten wie z.B. Smartamine als auch die Nachteile der "chemisch geschützten" Varianten wie z.B. HMBi überwunden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine chemische Verbindung der allgemeinen Formel I
EMI8.1
wobei A =
EMI8.2
und R = OH, OM, OR', NH2, NHR' oder NR'R'' ist, wobei
R<1>, R<2>, R' und R'' gleich oder verschieden ist und jeweils ein verzweigtes oder geradkettiges C1-C18-Alkyl- bzw.
C3-C18-Cycloalkyl-,
Allyl-,
Benzyl-,
Phenyl- oder
C1-C18-Alkyloxymethyl-, vorzugsweise C2H5OCH2
C2-C6-Hydroxyalkyl-, vorzugsweise HOC2H4-,
C3-C6-Dihydroxyalkyl-, vorzugsweise (HO)2C3H5-, oder ein C3-C12-Zuckerrest, bei dem eine OH-Gruppe des Zuckers jeweils vom Ketal-O-Atom, vom Carbonsäure- O-Atom oder vom Carbonsäureamid-N-Atom ersetzt ist und
M ein Alkali- oder Erdalkaliion, vorzugsweise Na<+>, K<+>, Mg<2+> oder Ca<2+> oder ein ein- bzw. zweiwertiges Übergangsmetallion, vorzugsweise Zn<2><+>, Mn<2><+>, Cu<2+> oder Cr<2+> ist,
oder A =
EMI9.1
und R = OH, OM, OR', NH2, NHR' oder NR'R'' ist,
wobei R' und R'' gleich oder verschieden ist und jeweils ein verzweigtes oder geradkettiges C1-C18-Alkyl- bzw.
C3-C18-Cycloalkyl-,
Allyl-,
Benzyl-,
Phenyl- oder
C1-C18-Alkyloxymethyl-, vorzugsweise C2H5OCH2-,
C2-C6-Hydroxyalkyl-, vorzugsweise HOC2H4-,
C3-C6-Dihydroxyalkyl-, vorzugsweise (HO)2C3H5-, oder ein C3-C12-Zuckerrest, bei dem eine OH-Gruppe des Zuckers vom Carbonsäure-O-Atom oder vom Carbonsäureamid-N-Atom ersetzt ist und
M ein Alkali- oder Erdalkaliion, vorzugsweise Na<+>, K<+>, Mg<2+> oder Ca<2+> oder ein ein- bzw. zweiwertiges Übergangsmetallion, vorzugsweise Zn<2><+>, Mn<2><+>, Cu<2+> oder Cr<2+> ist,
und R<3> eine C2-C4-Alkylenbrücke darstellt, vorzugsweise C2H4, oder einen C3-C12-Zuckerrest, bei dem zwei OH-Gruppen des Zuckers von den beiden Ketal-O-Atomen ersetzt sind,
oder A =
EMI10.1
und R<4> ein C3-C6-Alkylenrest, der ggf. Hydroxysubstituiert ist, vorzugsweise -CH2-C(CH3)2-CH2- und -CH2-C(CH2OH)2-CH2- ist, oder ein C3-C12-Zuckerrest, bei dem eine OH-Gruppe des Zuckers vom Ketal-O-Atom und eine vom Carbonsäure-O-Atom ersetzt ist,
oder A =
EMI10.2
und R<5> ein C3-C6-Alkylenrest, der ggf. hydroxysubstituiert ist, vorzugsweise -CH2-CH(-)-CH2-, ist, oder ein C3-C12-Zuckerrest, bei dem drei OH-Gruppen des Zuckers von beiden Ketal-O-Atomen und vom Carbonsäure-O-Atom ersetzt sind,
oder A =
EMI11.1
und R<5> ein C3-C6-Alkylenrest, der ggf. hydroxysubstituiert ist, vorzugsweise -CH2-CH(-)-CH2-, oder ein C3-C12-Zuckerrest, bei dem zwei OH-Gruppen des Zuckers von den beiden Ketal-O-Atomen ersetzt sind, und wobei X = H oder M ist und M die oben angegebene Bedeutung hat.
Bevorzugt ist dabei eine Verbindung der Formel I, 2, bei der R = Hydroxy und R<3> = C2H4 ist:
EMI11.2
Diese ist leicht herstellbar durch Ketalisierung von Ketomethionin mit stöchiometrischen Mengen Ethylenglykol in Gegenwart saurer Katalysatoren oder mit überstöchiometrischen Mengen Ethylenglykol und anschliessende Verseifung des intermediär gebildeten Ketomethioninethylenketalethylenglykolesters mit Alkali und nachfolgender Neutralisation (vgl. Beispiel 2).
Weiterhin bevorzugt ist eine Verbindung gemäss Formel I, 2, bei der R = OR' und R' = C1-C18-Alkyloxy und R<3> = C2H4 ist. Diese Verbindung kann hergestellt werden durch Veresterung von Ketomethionin mit einem entsprechenden C1-C18-Alkohol in Gegenwart saurer Katalysatoren und vorzugsweise anschliessender Ketalisierung mit Ethylenglykol.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Verbindung gemäss Formel I, 2, bei der R' = C1-C4-Alkyloxy ist.
Weiterhin bevorzugt ist eine Verbindung gemäss Formel I, 2, bei der R = OR' und R' = Hydroxyethoxy und R<3> = C2H4 ist:
EMI12.1
Darüber hinaus bevorzugt ist eine Verbindung gemäss Formel I, 3, bei der R<4> ein C5H10-Rest oder ein C5H10O2-Rest ist.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Verbindung, gekennzeichnet durch die Formel
EMI12.2
welche aus Ketomethionin und Neopentylidenglykol in Gegenwart saurer Katalysatoren hergestellt werden kann.
Ebenso bevorzugt ist eine analoge Verbindung der Formel
EMI12.3
welche aus Ketomethionin und Pentaerythrit in Gegenwart saurer Katalysatoren hergestellt werden kann.
Weiterhin bevorzugt ist eine Verbindung gemäss Formel I, 4, bei der R<5> ein C3H5-Rest ist.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Verbindung gekennzeichnet durch die Formel (1,2-Ketal)
EMI13.1
oder die isomere Formel (1,3-Ketal)
EMI13.2
Beide Verbindungen - das 1,2-Ketal und das 1,3-Ketal - können aus Ketomethionin und Glycerin in Gegenwart saurer Katalysatoren, vorzugsweise unter wasserentziehenden Bedingungen hergestellt werden.
Alle Verbindungen der allgemeinen Formel I eignen sich erfindungsgemäss hervorragend zur Verwendung in der Tierernährung, vorzugsweise zur Ernährung von Nutztieren.
Dabei bevorzugt ist die Verwendung zur Ernährung von Wiederkäuern, insbesondere von Milchkühen.
Zu diesem Zweck können die erfindungsgemässen Verbindungen zur Herstellung von Futtermitteln verwendet werden.
Dabei wiederum bevorzugt ist die Verwendung zur Herstellung von Futtermitteln für Wiederkäuer.
Ebenso Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Futtermittelzubereitungen, enthaltend mindestens eine der vorstehend genannten erfindungsgemässen Verbindungen, vorzugsweise zur Ernährung von Wiederkäuern.
Demgemäss können Mischungen der erfindungsgemässen Verbindungen mit gängigen Futtermitteln hergestellt werden.
Dazu
Geeignete Mengen sind in der Regel Anteile von 0,1% bis 5% an Methioninäquivalenten in Form der erfindungsgemässen Verbindungen, wobei die Anteile je nach Futterart verschieden sind. Milchleistungsfutter wird vorzugsweise mit < 0.5% an Methioninäquivalenten gemischt, Mineralfutter mit bis zu 5% und organische Futter im Bereich von 0,5 bis 3%, vorzugsweise bis 1%. Ein Methioninäquivalent ist in diesem Zusammenhang der Gewichtsanteil an erfindungsgemässer Verbindung, der der gleichen Menge an Methionin auf molarer Basis entspricht.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäure- oder Esterverbindungen der allgemeinen Formel I, 1-5, wobei im Falle von Formel I, 1 und 2 der Rest R nicht OM, NH2, NHR' oder NR'R'' ist, dadurch gekennzeichnet, dass man Ketomethionin mit einem entsprechenden einwertigen, zweiwertigen, dreiwertigen Alkohol oder einem C3-C12-Zucker in Gegenwart saurer Katalysatoren zum Esterprodukt der Formel 1-2, mit R = OR', oder zum Esterprodukt 3-4 oder zum Säureprodukt 1-2, mit R = OH, oder zum Säureprodukt 5 mit X = H umsetzt.
Entsprechend der genannten bevorzugten Verbindungen wird dabei ein Verfahren bevorzugt, bei dem als Alkohol ein verzweigter oder geradekettiger C1-C18-Alkylalkohol bzw. C3-C18-Cycloalkylalkohol, Allylalkohol, Benzylalkohol, Phenylalkohol, C2-C6-Hydroxyalkylalkohol, vorzugsweise HOC2H4OH, C3-C6-Dihydroxyalkylalkohol, vorzugsweise Glycerin, oder einen C3-C12-Zucker, bevorzugt Glycerinaldehyd, Dihydroxyaceton, Glucose, Fructose oder Saccharose eingesetzt werden.
Dabei kann insbesondere durch geeignete Auswahl der Menge der Moläquivalente des zur Ketalisierung benötigten Alkohols bzw. Zuckers die Bildung des gewünschten Produktes beeinflusst werden. Bei Verwendung von einem Moläquivalent C1-C18-Alkylalkohol bildet sich bevorzugt der nichterfindungsgemässe entsprechende Ester, bei Verwendung von zwei Moläquivalenten bildet sich bevorzugt das Carbonsäureketal der Formel I, 1 mit R = OH und bei Verwendung von drei Moläquivalenten bevorzugt die entsprechenden Esterketale der Formel I, 1 mit R = OR'. Entsprechend wird bei Einsatz von einem halben Moläquivalent C2-C6-Hydroxyalkylalkohol - wie z.B. HOC2H4OH-, entsprechend zwei Hydroxyäquivalenten das entsprechende Carbonsäureketal der Formel I, 2 mit R = OH und R<3> = C2H4 gebildet.
Die Herstellung der Carbonsäure- oder Esterverbindungen kann vorteilhaft in Gegenwart eines Lösungsmittels durchgeführt werden. Geeignete Lösungsmittel sind beispielsweise aromatische Kohlenwasserstoffe wie Benzol oder Toluol sowie chlorierte Kohlenwasserstoffe wie Methylenchlorid oder Chloroform und Alkohole.
Im Interesse einer möglichst hohen Ausbeute an gewünschten Kondensationsprodukten wird dabei ein Verfahren bevorzugt, bei dem während der Reaktion entstehendes Wasser aus dem Gleichgewicht entfernt wird. Dies kann sowohl destillativ, vorzugsweise durch Verwendung eines Lösungsmittels und/oder Schleppmittels wie beispielsweise Toluol erreicht werden. Vorteilhaft dabei ist, wenn das Lösemittel gleichzeitig Schleppmittel und ggf. noch als Reaktant fungiert. Auch können dabei die zur Veresterung bzw. Ketalisierung eingesetzten Alkohole zusätzlich als Lösungsmittel und/oder Schleppmittel verwendet werden.
Bei Verwendung als Schleppmittel sollte das Lösungsmittel einen geeigneten Siedepunkt haben. Dieser sollte in der Regel 120 deg. C nicht überschreiten. Für diesen Zweck geeignete Alkohole sind z.B. C1-C4-Alkylalkohole, also Methanol, Ethanol, 1- oder 2-Propanol und 1- oder 2-Butanol, Isobutanol, tert-Butanol.
Eine andere Möglichkeit zur Wasserentfernung besteht in der Verwendung von Wasserentziehenden Mitteln beispielsweise von Orthoestern, wie zum Beispiel Orthoessigsäuretrimethylester oder -triethylester. Die dabei als Koppelprodukte entstehenden Essigsäuremethyl- bzw. - ethylester können anschliessend leicht destillativ aus dem Reaktionsgemisch entfernt und weiterverwendet werden.
Dabei können die Carbonsäuren oder Carbonsäuresalze der allgemeinen Formel I, 1-2 oder 5, bei denen der Rest R = OH oder OM und der Rest X = H oder M ist, bevorzugt so hergestellt werden, indem ein Carbonsäureesterprodukt der Formel I, 1 oder 2 mit R = OR', oder der Formel I, 4 durch Verseifung mit einem Alkali- oder Erdalkalihydroxid oder einem ein- bzw. zweiwertigen Übergangsmetallhydroxid in das entsprechende Carbonsäuresalz der Formel I, 1 oder 2 mit R = OM bzw. der Formel 5 mit X = M überführt wird und ggf. daraus die freie Carbonsäure mit R = OH bzw. X = H mit Hilfe einer Mineralsäure freigesetzt wird. Geeignete Mineralsäuren sind dabei insbesondere Schwefelsäure, Salzsäure und Phosphorsäure.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäuresalzen der allgemeinen Formel I, 1-2 oder 5, wobei der Rest R = OM bzw. der Rest X = M ist, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Säureprodukt der Formel I, 1-2 mit R = OH bzw. ein Säureprodukt der Formel I, 5 mit X = H mit einem Alkali- oder Erdalkali- oder einem ein- bzw. zweiwertigen Übergangsmetallhydroxid oder - carbonat zur entsprechenden Carbonsäure neutralisiert wird.
Zur Herstellung der oben genannten Carbonsäuresalze durch Verseifung oder Neutralisation werden dabei als Hydroxide NaOH, KOH, Mg(OH)2, Ca(OH)2, Zn(OH)2 oder Mn(OH)2und als Carbonate Na2CO3, K2CO3, MgCO3, CaCO3, ZnCO3 oder MnCO3 bevorzugt verwendet.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Carbonsäureamiden der allgemeinen Formel I, 1-2 mit R = NH2, NHR', NR'R'', dadurch gekennzeichnet, dass ein Esterprodukt der Formel I, 1-2, mit R = OR', durch Umsetzung mit einer N-haltigen Base der Formel NH3, NH2R' oder NHR'R'' in das entsprechende Amid überführt wird.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung von Esterverbindungen der allgemeinen Formel I, 1-2, mit R = OR', welches dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Esterprodukt I, 1-2, durch Umesterung mit einem Alkalialkoholat M'OR' (M' = Alkali) in ein entsprechendes Esterprodukt der Formel I, 1-2 überführt wird, mit der Massgabe, dass R' im eingesetzten Esterprodukt I, 1-2 nicht gleich dem Rest R' im eingesetzten Alkoholat M'OR' sein darf. Einmal hergestellte Ketomethioninketalester können auf diese Weise ganz leicht in andere gewünschte Ketomethioninketalester überführt werden.
Die Ketomethioninketale der allgemeinen Formel I, 1, 2 bzw. 5 mit R = OH oder OM bzw., X = H oder M sind polare und nicht lipophile Verbindungen. Aufgrund der Ketal-Schutzgruppe sind diese Verbindungen pansenstabil und können nicht mikrobiell abgebaut werden. Durch die lipophobe Carbonsäuregruppe werden sie jedoch nicht wie HMBi über die Pansenwand absorbiert, sondern gelangen ohne Abbau in den Labmangen (Abomasum) des Wiederkäuers, wo sie aufgrund der stark sauren Bedingungen hydrolysiert werden. Die Absorption des freiwerdenden Ketomethionins erfolgt dann anschliessend im Dünndarm.
Bei den Ketomethioninketalestern der allgemeinen Formel I, 1, 2 mit R = OR' bzw. der allgemeinen Formel I, 4 handelt es sich um lipophile und nicht polare Verbindungen. Aufgrund der beiden chemischen Schutzgruppen "Ketal" und "Ester sind diese Verbindungen pansenstabil. Die Absorption erfolgt im Gegensatz zu den Ketomethioninketalen schnell und effektiv über die Pansenwand analog dem Mechanismus von HMBi. Die anschliessende enzymatische Spaltung zum freien Ketomethionin erfolgt dann im Blut des Wiederkäuers.
Die Verwendung von Ketomethioninketalen oder Ketomethioninketalester ermöglicht damit erstmals eine aktive Steuerung der Absorptionsstelle des "Methioninäquivalents".
Die Ketomethioninketale bzw. Ketomethioninketalester und deren Derivate haben mehrere Vorteile gegenüber den im Stand der Technik bekannten Verbindungen:
Im Gegensatz zum freien Ketomethionin sind Ketomethioninketale, Ketomethioninketalester, Ketomethioninhalbketalester und Ketomethioninketalamide der allgemeinen Formel I in Hinblick auf Dimerisierung und Cyclisierung chemisch stabil, eine Voraussetzung für die Lagerung und Transport als Futtermitteladditive.
Die Verwendung der Verbindungen der allgemeinen Formel I erlaubt die aktive Steuerung der Absorptionsstelle im Organismus des Wiederkäuers. Dabei erfolgt die Absorption der hydrophilen Ketomethioninketale der Formel I, 1, 2 mit R = OH, OM oder der Formel I, 5 mit X = H, M im Dünndarm nach Hydrolyse im Abomasum bzw. die Absorption der lipophilen Ketomethioninketalester der allgemeinen Formel I, 1, 2 mit R = OR' bzw. der allgemeinen Formel I, 4 direkt über die Pansenwand.
Im Falle der Verwendung von bestimmten Diolen wie z.B. Ethylenglykol oder ausgewählten Triolen wie z.B. Glycerin oder Zuckern wie z.B. Glucose als Bausteine zur Ketal- bzw. Esterbildung mit Ketomethionin zu den entsprechenden Verbindungen der allgemeinen Formel I, besitzen diese zusätzlich eine nutritive Wirkung, aufgrund der im Organismus wieder freisetzbaren Zucker- bzw. Alkohol-Bausteine.
Ketomethioninketale und Ketomethioninketalester besitzen eine sehr hohe Biowertigkeit, da sie in vivo zu [alpha]-Ketomethionin hydrolysiert werden können. Die Biowertigkeit von Ketomethionin ist dabei wesentlich höher als die von MHA, da es im Gegensatz dazu in nur einer Stufe im Organismus zu L-Methionin umgewandelt werden kann. Dagegen benötigt MHA zwei und HMBi sogar drei Stufen.
Die hohe Biowertigkeit der Ketomethioninketale und Ketomethioninketalester stellt einen deutlichen wirtschaftlichen Vorteil dar, da weniger Futtermitteladditiv benötigt wird.
Aufgrund des chemischen Schutzes kann das Produkt und damit der Pansenschutz nicht durch physikalische Kräfte wie z.B. Reibung beschädigt werden. Daher ist es im Vergleich zu einer physikalisch geschützten Methioninform wie z.B. Smartamine möglich, Ketomethioninketale, Ketomethioninketalester, Ketomethioninhalbketalester und Ketomethioninketalamide der allgemeinen Formel I zu pelletieren. Dies stellt einen ausserordentlichen Vorteil dar, weil damit eine breite Verwendbarkeit bei der Mischfutter-Herstellung und -Konfektionierung sichergestellt wird.
Darüber hinaus können die genannten Verbindungen der allgemeinen Formel I generell als Futtermitteladditive in der Nutztierhaltung eingesetzt werden, also auch bei der Ernährung von Geflügel oder Schweinen.
Insbesondere Ketomethioninketale und Ketomethioninketalester können auf einfachere Art und damit zu in der Regel niedrigeren Herstellkosten als physikalisch geschützte Methioninformen produziert werden.
Die symmetrischen Ketomethioninketale der allgemeinen Formel I sind achiral im Gegensatz zu MHA, HMBi oder D,L-Methionin. Das natürliche L-Methionin wird aus diesen achiralen Vorstufen im tierischen Organismus direkt gebildet. Eine Umwandlung des unnatürlichen Enantiomeren entfällt dadurch. Die nachfolgenden Beispiele zeigen Möglichkeiten zur Herstellung der erfindungsgemässen Verbindungen auf ohne dabei beschränkend zu wirken.
Beispiele:
Beispiel 1: Freisetzung von Ketomethionin aus seinen Salzen (nicht erfindungsgemäss):
EMI21.1
Zu einer Suspension aus 43.3 g Calcium-Ketomethioninat (M = 334.42 g/mol, 98% Reinheit, in der Trockenmasse 21% Wassergehalt) in 120 ml H2O und 320 ml Diethylether wurde bei 0 deg. C unter kräftigem Rühren eine 10%ige wässrige Salzsäurelösung langsam zugetropft bis der pH-Wert < 2 erreicht wurde. Nach der Phasentrennung wurde die wässrige Phase dreimal mit je 120 ml Diethylether gewaschen. Anschliessend werden die vereinten organischen Phasen über Na2SO4 getrocknet. Nach der Filtration des Trockenmittels wurde der Diethylether am Rotationsverdampfer bei 30 deg. C und leichtem Vakuum abdestilliert. Die letzten Lösungsmittelreste wurden im Hochvakuum entfernt. Zurück blieben 29.1 g eines leicht gelblichen Öls an freiem Ketomethionin (Ausbeute = 98%, M = 148.18 g/mol).
<1>H-NMR von Calcium-Ketomethioninat 500 MHz, DMSO-d6):
[delta] = 2.04 (s, 3H, CH3), 2.62 (t, <3>J = 7.3 Hz, 2H, CH2), 2.82 (t, <3>J = 7.3 Hz, 2H, CH2).
<1>H-NMR von Ketomethionin (500 MHz, DMSO-d6):
[delta] = 2.06 (s, 3H, CH3), 2.66 (t, <3>J = 7.2 Hz, 2H, CH2), 3.09 (t, <3>J = 7.2 Hz, 2H, CH2).
<13>C-NMR von Ketomethionin (125.8 MHz, DMSO-d6): [delta] = 14.7 (CH3), 26.7 (CH2), 38.5 (CH2), 162.2 (COOH), 194.9 (CO).
Beispiel 2: Herstellung von Ketomethioninketalen der Formel I, 2 am Beispiel der Umsetzung von Ketomethionin und Ethylengykol:
EMI22.1
(I, 2 mit R<3> = C2H4 und R = OC2H4OH bzw. R = OH)
Eine Lösung von Ketomethionin (174 mmol, M = 148.18 g/mol) in Toluol (100 ml) wurde über 2 h tropfenweise zu einer Lösung von 1 g (~3 Mol%) p-Toluolsulfonsäure als Katalysator und Ethylenglykol (335 mmol, M = 62.07 g/mol) in Toluol (250 ml) zugegeben und die Reaktion solange unter Rückfluss gehalten bis sich am aufgesetzten Wasserabscheider kein weiteres Wasser mehr abschied (ca. 2 h). Anschliessend wurde das Toluol unter Vakuum abgezogen und das Rohprodukt mit Methanol (200 ml) versetzt und nach Zugabe einer wässrigen Lösung von 2M Natriumhydroxid (200 ml) für ca. 2h alkalisch verseift. Die Reaktionslösung wurde anschliessend mit Diethylether ausgeschüttelt und die wässerige Phase mit verdünnter Salzsäure angesäuert. Das Produkt wurde bei pH 1-2 mit Diethylether extrahiert, die organische Phase mit Wasser gewaschen, über Na2SO4 getrocknet und das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt. Das ölige Produkt (I, 2) wurde anschliessend aus Methylenchlorid/n-Hexan umkristallisiert und fiel als weisser kristalliner Feststoff an. (24.6 g, Ausbeute = 74%, M = 192,23 g/mol, Schmelzpunkt: 74 deg. C Methylenchlorid/n-Hexan).
<1>H-NMR von 2-(2-(Methylthio)ethyl)-1,3-dioxolan-2-carbonsäure (I, 2) (500 MHz, CDCl3): [delta] = 2.11 (s, 3H, SCH3), 2.24-2.28 (m, 2H, CH2), 2.58-2.61 (m, 2H, CH2), 4.07-4.14 (m, 4H, OCH2CH2O).
<13>C-NMR von 2-(2-(Methylthio)ethyl)-1,3-dioxolan-2-carbonsäure (I, 2) (125.8 MHz, CDCl3): [delta] = 15.5 (SCH3), 27.1 (CH2), 34.9 (CH2), 66.1 (2 OCH2), 105.9 (C), 174.1 (COO).
Elementaranalyse für C7H12O4S (M = 192,24 g/mol): C 43.74; H 6.29; S 16.68 Gefunden: C 43.80; H 6.25; S 16.61.
Beispiel 3: Herstellung vom Calciumsalz des Ketomethioninketals durch Neutralisation:
EMI23.1
Zu einer Lösung aus 1.0 g (5.20 mmol) 4-(Methylthio)-2-ketobuttersäure-ethylenketal in 2.0 ml Wasser und 3.0 ml Aceton wurde bei RT langsam eine wässrige Lösung aus 0.44 g Calciumacetat (93%ig) in 2 ml Wasser zugetropft. Anschliessend wurden 3 ml Aceton zugegeben und über Nacht bei RT gerührt. Der gebildete weisse Feststoff wurde abgesaugt und mit 100 ml einer 1:10 Wasser-Aceton-Mischung gründlich gewaschen. Das Produkt wurde anschliessend im Trockenschrank bzw. im Hochvakuum getrocknet. (0.96 g, Ausbeute = 82%, 6.3% Wassergehalt nach K.F.-Methode).
<1>H-NMR von Calcium 2-(2-(Methylthio)ethyl)-1,3-dioxolan-2-carboxylat (I, 2) (500 MHz, DMSO-D6): [delta] = 1.98-2.00 (m, 2H, CH2, 2.03 (s, 3H, SCH3), 2.44-2.47 (m, 2H, CH2), 3.81-3.84 (m, 2H, CH2), 3.95-4.00 (m, 2H, CH2).
<13>C-NMR von Calcium 2-(2-(Methylthio)ethyl)-1,3-dioxolan-2-carboxylat (I, 2) (125.8 MHz, DMSO-D6/DC1): [delta] = 15.1 (SCH3), 27.0 (CH2), 35.2 (CH2), 65.7, 66.0 (2 OCH2), 105.6 (C), 171.0 (COO).
Beispiel 4: Herstellung von Ketomethioninhalbketalestern I, 3 am Beispiel der Umsetzung von Ketomethionin und 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol:
EMI24.1
(I, 3 mit R<4>= -CH2C (CH3)2CH2-)
Zu einer Lösung aus 11.1 g Ketomethionin (75 mmol, M = 148.18 g/mol) in 200 ml absolutem ethanolfreiem Chloroform wurden 8.9 g 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol (85 mmol, M = 104.15 g/mol) und 0.8 g (~5 Mol%) p-Toluolsulfonsäure als Katalysator zugegeben und solange unter Rückfluss gehalten bis sich am aufgesetzten Wasserabscheider kein weiteres Wasser mehr abschied (ca. 3.5 h). Nach dem Abkühlen wurde die Lösung mit halbgesättigter NaHCO3-Lösung gewaschen, die wässrige Phase nochmals mit Chloroform rückgewaschen und die vereinten organischen Phasen über Na2SO4 getrocknet. Nach Filtration wurde das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt und das ölige Rohprodukt aus Methylenchlorid/n-Hexan kristallisiert. Das Produkt (1,3) fiel als weisser kristalliner Feststoff an (10.8 g, Ausbeute = 62%, M = 234,32 g/mol, Schmelzpunkt = 109 deg. C (Methylenchlorid/n-Hexan)).
<1>H-NMR von rac-4,4-Dimethyl-7-hydroxy-7-(2-(methylthio)ethyl)-6-oxa-caprolacton (I, 3) (500 MHz, CDCl3): [delta] = 0.92 (s, 3H, CH3), 0.99 (s, 3H, CH3), 2.04-2.19 (m, 2H, CH2), 2.08 (s, 3H, SCH3), 2.47-2.52 (m, 1H, SCHH), 2.61-2.66 (m, 1H, SCHH), 2.92 (d, <2>J = 8.0 Hz, 1H, OCHH), 3.25 (d, <2>J = 8.0 Hz, 1H, OCHH), 3.72 (d, <2>J = 10.4 Hz, 1H, COOCHH), 4.30 (d, <2>J = 10.4 Hz, 1H, COOCHH), 4.50 (s, 1H, OH).
<13>C-NMR von rac-4,4-Dimethyl-7-hydroxy-7-(2-(methylthio)ethyl)-6-oxa-caprolacton (I, 3) (125.8 MHz, CDCl3): [delta] = 15.7 (SCH3), 21.9, 21.3 (2 CH3), 27.7 (CH2), 37.7 (CH2), 66.0 (OCH2), 70.9 (OCH2), 96.5 (COH), 172.5 (COO).
Elementaranalyse für C10H18O4S (M = 234,32 g/mol): C 51.26; H 7.74; S 13.68 Gefunden: C 50.82; H 7.73; S 13.52.
Beispiel 5: Herstellung von Ketomethioninketalestern I, 4 am Beispiel der Umsetzung von Ketomethionin und Glycerin:
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Zu einer Lösung aus 12.0 g Keto-Methionin (81 mmol, M = 148.18 g/mol) in 120 ml absolutem Toluol wurden 7.8 g Glycerin (1,2,3-Propantriol) (85 mmol, M = 92.09 g/mol) und 0.8 g (~5 Mol%) p-Toluolsulfonsäure als Katalysator zugegeben und solange unter Rückfluss gehalten bis sich am aufgesetzten Wasserabscheider kein weiteres Wasser mehr abschied (ca. 2.5 h). Nach dem Abkühlen wurde die Lösung mit halbgesättigter NaHCO3-Lösung gewaschen, die wässrige Phase nochmals mit Chloroform rückgewaschen und die vereinten organischen Phasen über Na2SO4 getrocknet. Nach Filtration wurde das Lösungsmittel am Rotationsverdampfer entfernt und das ölige Rohprodukt (Verhältnis (1,3-Ketal: 1,2-Ketal = 70:30) chromatographiert (Diethylether/n-Hexan 1:1). Dabei wurden die beiden Verbindungen voneinander getrennt. Das Hauptprodukt (1,3-Ketal) kristallisierte in Form farbloser Nadeln aus einer Mischung aus Methylenchlorid/n-Hexan aus (8.8 g, Ausbeute = 53%, M = 204,25 g/mol, Schmelzpunkt = 39.5 deg. C (Methylenchlorid/n-Hexan)).
<1>H-NMR von 4-(2-(Methylthio)ethyl)-2,5,8-trioxabicyclo[2.2.2]-octan-3-on (1,3-Ketal) (500 MHz, CDCl3): [delta] = 2.13 (s, 3H, SCH3), 2.17-2.20 (m, 2H, CH2), 2.65-2.68 (m, 2H, CH2), 4.12-4.13 (m, 4H, 2CH2), 4.76 (s, 1H, CH).
<13>C-NMR von 4-(2-(Methylthio)ethyl)-2,5,8-trioxabicyclo[2.2.2]-octan-3-on (1,3-Ketal) (125.8 MHz, CDCl3): [delta] = 15.4 (SCH3), 26.9 (CH2), 33.2 (CH2), 66.5 (2 OCH2), 70.9 (CH), 92.9 (C), 166.2 (COO).
Elementaranalyse für C8H12O4S (M = 204,25 g/mol): C 47.04; H 5.92; S 15.70 Gefunden: C 47.21; H 5.93; S 15.69.
Beispiel 6: Herstellung von Ketomethioninketalsaizen der Formel I, 5 am Beispiel der Verseifung von 1,2-Ketal bzw. 1,3-Ketal aus Beispiel 5:
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Zu einer Suspension aus 50 mg (0.24 mmol) des 1,3-Ketals aus Beispiel 5 in 1.0 ml Methanol und 1.5 ml Wasser wurde bei RT 15 mg Kaliumhydroxid zugegeben und die Lösung 30 Min bei RT gerührt. Nach Entfernen des Lösungsmittels und Trocknung unter Vakuum wurde das Produkt als ein weisser Feststoff erhalten. (0.60 g, Ausbeute = 96%).
<1>H-NMR von Kalium 5-hydroxy-2-(2-(methylthio)ethyl)-1,3-dioxan-2-carboxylat (500 MHz, D2O/TSP): [delta] = 1.96-2.02 (m, 2H, CH2), 2.10 (t, 3H, CH3), 2.51-2.54 (m, 2H, CH2), 3.48-3.52 (m, 2H, CH2), 3.81-3.87 (m, 1H, CH), 3.98-4.01 (m, 2H, CH2).
(c)DE102006055470 (A1), 2008-05-29,KOBLER CHRISTOPH; HATELEY MARTIN; ROTH PHILIPP; JAEGER BARBARA; PETER RAINER; WECKBECKER CHRISTOPH; HUTHMACHER KLAUS
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