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Verfahren zur Herstellung von α-Amino-ss-hydroxycarbonsäuren
Zur Herstellung der physiologisch wichtigen oc-Amino-p-hydroxycarbonsäuren, wie Serin, Phenylserin, Threonin gibt es zahlreiche Synthesewege, die jedoch meist mit unbefriedigenden Ausbeuten verlaufen. Dazu kommt, dass die bisher verwendeten Synthesen nicht allgemein anwendbar sind.
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nach King [Am. Soc. 69,2738 (1947) ; USPatentschrift Nr. 2, 530, 065 (1950)] durch Aldoladdition von Formaldehyd an Acetaminomalonester und anschliessende Verseifung des Additionsproduktes wohl die eleganteste.
Diese Synthese ist aber nur auf die Herstellung von Serin beschränkt, da andere Aldehyde als Formaldehyd mit Acetaminomalonester unter den von King angegebenen Bedingungen nicht reagieren : bereits beim Ersatz des Formaldehyds durch Acetaldehyd versagt die King'sche Synthese. Ausserdem ist bei dieser King'schen Serin-Synthese die präparative Abwandlung des hiebei zuerst ent-
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In diesem Schema bedeuten R Methyl- oder Äthylgruppen. R'bedeutet Wasserstoff, beliebige geradkettige oder verzweigte gesättigte oder ungesättigte Alkylreste, Cycloalkylreste, Aryl- oder Aralkylreste, die ausserdem beliebig substituiert sein können, oder heterocyclische Arylreste.
Acyl bedeutet aliphatische oder aromatische Acylreste.
Die Aldoladditionen können in Gegenwart oder Abwesenheit von Lösungs- bzw. Verdünnungsmitteln durchgeführt werden. Geht man aus von den freien Acylaminomalonestersäuren, so arbeitet man zweckmässig in methyl- oder äthylalkoholischer Lösung bei Gegenwart einer
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versetzt. Wesentlich ist die schwach alkalische Reaktion der Reaktionslösung, die man durch Zusatz einer geringen Menge eines Alkalihydroxyds oder eines Alkalicarbonats erreichen kann.
Die erfindungsgemässe Addition von Aldehyden an Salze der Acylaminomalonestersäuren verläuft derart, dass die Decarboxylierung des Anions der Acylaminomalonestersäure unmittelbar mit der Aldoladdition verknüpft ist, da das durch Decarboxylierung entstehende Carbeniat-Anion gleichzeitig als Methylenkomponente der Aldol- addition fungiert, so dass der Übergangszustand der Reaktion folgendermassen formulierbar ist :
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Benutzt man hingegen nach King beispielsweise den Acetaminomalonsäurediäthylester, so ist zur Aktivierung dieses Esters zur Methylenkomponente der Additon nunmehr primär ein Protonentzug zum entsprechenden Carbeniatanion
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notwendig geworden.
Da eine solche Aktivierung schwieriger eintritt als die erfindungsgemässe Umsetzung, wird hiedurch verständlich, dass die King'sche Synthese auf den besonders reaktionsfähigen Formaldehyd beschränkt ist, die erfindungsgemässe Umsetzung jedoch eine allgemein anwendbare Synthese darstellt.
Als Acylaminomalonsäuremonoester eignen sich insbesondere die Formyl- oder Acetylaminomalon- säure-monomethyl- oder monoäthylester, ohne dass das Gelingen der Reaktion auf die genannten Verbindungen als Reaktionskomponente beschränkt ist ; so kann amn auch beispielsweise entsprechende Benzoylaminomalonsäuremonoester anwenden.
Ein besonderes Kennzeichen der erfindungsgemässen Umsetzung ist ihre Allgemeingültigkeit im Hinblick auf die Aldehyd-komponente. Als Aldehyde sind beispielsweise anwendbar aliphatische Aldehyde wie Formaldehyd, Acetaldehyd, Propionaldehyd, Butyr- oder Isobutyraldehyd, ungesättigte Aldehyde, wie Crotonaldehyd, höhere Fettaldehyde wie Önanthal oder Hexadienal, alicyclische Aldehyde wie Hexahydrobenzaldehyd oder 2,5-Endomethylen-#3-tetrahydrobenzaldehyd, aromatische Aldehyde wie Benzaldehyd, Naphthaldehyde, heterocyclische Aldehyde wie etwa Furfurol oder Pyridinaldehyde, die ausserdem beliebig substituiert sein können.
Die erfindungsgemässe Umsetzung verläuft mit befriedigender Geschwindigkeit bereits bei ge- wöhnlicher Temperatur. Es ist aber durchaus möglich, etwa bei Anwendung aldolisierbarer Aldehyde, auch bei tieferer Temperatur zu arbeiten, wie es auch möglich ist, zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit die erfindungsgemässe Umsetzung bei höherer Temperatur, d. h. bei 30 bis zirka 1000 C durchzuführen.
Die bei Anwendung von Aldehyden R-CHO erfindungsgemäss entstehenden < x-Amino-ss-hydr- oxy-carbonsäuren R-CH (OH) -CH (NH2) - - COOH können in zwei diastereomeren Formen auftreten. Durch zweckentsprechende Wahl des jeweiligen Solvat-Systems ist die vornehmliche Entstehung der erwünschten Form zu beeinflussen. Das für eine bestimmte erfindungsgemässe Umsetzung günstigste Solvat-System muss jeweils durch besondere Versuche ermittelt werden. Da die näheren Reaktionsbedingungen in weiten Grenzen abwandlungsfähig sind, besteht die Möglichkeit, Bedingungen zu ermitteln, unter denen eine ernndungsgemäss herstellbare K-Amino-ss-hydroxycarbonsäure vornehmlich in der gewünschten diastereomeren Form entsteht.
Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren herstellbaren < x-Amino-ss-hydroxycarbonsäuren sind als solche unmittelbar pharmazeutisch verwertbar ; sie stellen darüber hinaus wertvolle Zwischenprodukte zur Synthese von Heilmitteln dar.
Beispiel l : 17, 5 g (0, 1 Mol) Acetaminomalonsäure-mono-methylester werden in 20 g (0, 4 Mol) einer 40% igen wässerigen Formaldehydiösung suspendiert und portionsweise mit 10 g (0, 1 Mol) Triäthylamin versetzt. Nach kurzem Umschütteln löst sich der suspendierte Ester unter Erwärmung und leichter Gasentwicklung auf. Dann lässt man 24 Stunden bei Raumtemperatur stehen.
Danach wird die hellgelbe Lösung im Vakuum auf dem Wasserbad zu einem klaren Sirup eingedampft, den man in 50 cm3 konz. wässeriger Salzsäure löst und eine Stunde unter Rückfluss kocht. Die Lösung verfärbt sich dabei bräunlich.
Sie wird anschliessend im Vakuum auf dem Wasserbad zu eincm bräunlichen Sirup ein- gedamrft, der stark mit Kristallen durchsetzt ist. Nach Lösen in wenig Wasser und Versetzen mit konz. Ammoniak bis zum PH 8-9 dampft man i. V. auf dem Wasserbad zu einer hellbraunen Kristallmasse ein. Diese wird erneut in wenig Wasser gelöst und unter Zusatz von Tierkohle 20 Minuten gekocht. Dann wird abfiltriert und das dunkelbraune Filtrat noch warm vorsichtig mit Äthanol angespritzt, bis die Ausscheidung einer bräunlichgelben, kristallinen Substanz erkennbar wird. Man kühlt 30 Minuten auf -200 C, saugt ab, wäscht den kristallinen Filterrückstand einmal mit sehr wenig kaltem Wasser, zweimal mit viel absol. Äthanol und schliesslich zweimal mit absol. Äther.
Die Ausbeute an schwach gelblich gefärbtem, kristallinem DL-Serin beträgt 7, 2 g, entsprechend 72% der Theorie. Das Produkt ist papierchromatographisch rein. Mit Silbernitrat sind nur Spuren ionogenen Chlors nachzuweisen.
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Beispiel 2 : 17, 5 g (0, 1 Mol) Acetaminomalonsäure-mono-methylester werden in 20 g (etwa 0, 5 Mol) Acetaldehyd suspendiert und portionsweise mit 10, 0 g (0, 1 Mol) Triäthylamin versetzt. Das Reaktionsgemisch erwärmt sich dabei und der suspendierte Halbester geht in Lösung.
Nach 60 stündigem Stehenlassen bei Raumtemperatur hat sich die Lösung dunkelbraun verfärbt. Triäthylamin und überschüssiger Acetal- dehyd werden i. V. auf dem Wasserbad abge- dampft, der verbleibende dunkelbraune Sirup mit dem doppelten Volumen konz. wässeriger
Salzsäure versetzt und eine Stunde unter Rückfluss gekocht. Anschliessend wird i. V. auf dem Wasserbad zu einem dunkelbraunen Öl eingedampft, das in wenig Wasser gelöst und mit konz. wässerigem Ammoniak bis zum PH 8 versetzt wird.
Das Öl, das durch erneutes Eindampfen i. V. auf dem Wasserbad erhalten wird, löst man in wenig Wasser. Nach Zusatz von Tierkohle wird die Lösung 20 Minuten gekocht, filtriert und langsam mit einem grossen Überschuss an absol.
Äthanol versetzt. Aus der klaren, rotbraunen Lösung scheiden sich bei 16stündigem Stehen unter Kühlung Kristalle ab. Man saugt ab und wäscht den Filterrückstand zweimal mit absol.
Äthanol, anschliessend einmal mit absol.
Äther.
Die Ausbeute an kristallinem, fast farblose Rohthreonin beträgt 6, 3 g, entsprechend 53% der Theorie bezogen auf Acetaminomalonsäuremonomethylester. Das Produkt ist bis auf sehr geringe Spuren Glycin papierchromatographisch rein. Ionogenes Chlor ist mit Silbernitrat nur in Spuren nachzuweisen.
Durch mikrobiologische Testung wurde festgestellt, dass das auf diesem Wege erhaltene Produkt zu 95% aus D, L-Allothreonin und zu 5% aus DL-Threonin besteht.
Beispiel 3 : 17, 5 g (0, 1 Mol) Acetaminomalonsäure-mono-methylester werden mit 11, 6 g (0, 2 Mol) Propionaldehyd und mit 10, 0 g (0, 1 Mol) Triäthylamin versetzt. Der Halbester löst sich unter schwacher Gasentwicklung. Nach 24 Stunden Stehenlassen bei Raumtemperatur wird i. V. auf dem Wasserbad zu einem gelben Sirup eingedampft, den man mit 50 cm konz. wässeriger Salzsäure versetzt und eine Stunde unter Rückfluss kocht. Man dampft i. V. auf dem Wasserbad zu einem dunkelbraunen Sirup ein, der mit konz. wässerigem Ammoniak bis zum PH 9 versetzt und erneut i. V. auf dem Wasserbad zur Trockne eingedampft wird. Nach Lösen des kristallinen, von braunen Schmieren durchsetzten Rückstandes in 60 cm3 Wasser wird 20 Minuten mit Tierkohle gekocht, filtriert und das Filtrat noch heiss mit 85 cm3 absol. Alkohol versetzt.
Nach Stehen unter Kühlung über Nacht scheidet sich das so entstandene 2-Hydroxynorvalin kristallin ab. Man saugt ab, wäscht zweimal mit wenig absol. Alkohol und anschliessend einmal mit absol. Äther. Die Ausbeute beträgt 5, 8 g (43, 6% der Theorie). Schmelzpunkt 231 C Zersetzung.
C5HllN03 (133, 15) ber. : C = 45, 10% H = 8, 33% N = 10, 52% gef. : C = 45, 28% H = 8, 46% N = 10, 99%.
Ersetzt man den Propionaldehyd durch die äquivalente Menge Butyraldehyd (14, 4 g), so erhält man analog 7, 6 g 2-Hydroxy-norleucin (51, 3% der Theorie) vom F. 228 C (aus Wasser).
C6H13N03 (147, 17). ber. : C= 48, 96% H = 8, 90% N = 9, 52% gef. : C= 48, 93% H = 8, 91% N = 9, 75%
Beispiel 4 : 7, 0 g (0, 04 Mol) Acetaminomalonsäure-mono-methylester wurden mit 4, 0 g (0, 04 Mol) frisch destilliertem Benzaldehyd und mit 4, 0 g (0, 04 Mol) Triäthylamin versetzt. Als Lösungsmittel wurden 20 cm3 absol. Äthanol zugegeben. Nach dem Zusammengeben der Komponenten war leichte Gasentwicklung zu beobachten.
Nach 6tägigem Stehenlassen bei Raumtemperatur wurden Triäthylamin und Alkohol i. V. auf dem Wasserbad abgedampft. Das hinterbleibende gelbliche Öl verfestigte sich innerhalb 24 Stunden zu einem noch schmierigen Kristallisat, aus dem durch Umkristallisieren aus Methanol/Wasser 4, 8 g einer festen Substanz vom Schmelzpunkt 134-136 C gewonnen werden konnten. Die Analysendaten stimmten mit denen des N-Acetyl-phenyl-serinäthylesters überein. Im Gemisch mit authentischem NAcetyl-phenylserinäthylester ist keine Schmelzpunktsdepression zu beobachten.
CHNO4 (251, 3) ber. : C = 62, 14% H = 6, 82% N = 5, 57% gef. : C= 62, 03% H = 6, 93% N = 5, 53%.
Beispiel 5 : 3, 8 g (0, 02 Mol) Acetaminomalonsäure-mono-äthylester werden mit 3, 0 g (0, 02 Mol) p-Nitro-benzaldehyd, 2, 0 g (0, 02 Mol) Triäthylamin und mit 10 cm3 absol. Äthanol versetzt. Sofort setzt spürbare Gasentwicklung ein, und die Lösung verfärbt sich über dunkelgrün nach dunkelgelb.
Im Verlauf von 16 Stunden erstarrt der Inhalt des Reaktionsgefässes zu einem gelben Kristallkuchen, der in absol. Äther aufgeschwemmt, abgesaugt und zweimal mit absol. Äther gewaschen wird. Die Ausbeute an N-Acetyl-pnitrophenylserinäthylester beträgt nach Trocknen i. V. über Silberchlorid 4, 2 g, entprechend 70, 2% der Theorie. Das Produkt lässt sich aus Wasser/ Äthanol gut umkristallisieren und zeigt danach einen Schmelzpunkt von 147, 5-148 C. Es gibt keine Schmelzpunktsdepression mit dem nach G. W. Moersch et al., J. Amer. chem.
Soc. 74,565 (1952) hergestellten erythro-NAcetyl-p-nitrophenylserinäthylester vom F. 1580 C besteht daher in der Hauptsache aus der ErythroVerbindung.
C13H16N206 (296, 3) ber. : C= 52, 70% H =5, 44% N==9, 46% gef. : C= 52, 80% H = 5, 90% N = 9, 71%.
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(absol. ) suspendiert. Unter Rühren wird bei Zimmertemperatur eine Lösung von 56g Kalilauge (1 Mol) in 300 cm3 Äthanol (absol.) innerhalb von 2 Stunden dazugetropft. Man rührt 24 Stunden bei Zimmertemperatur und tropft dann zu dem entstandenen Acetaminomalonsäuremonomethylester eine Lösung von 150 g 4-Nitrobenzaldehyd (1 Mol) in 750 cm3 Dimethylformamid innerhalb einer Stunde zu, rührt eine halbe Stunde nach und tropft dann eine Lösung von 138 g Kaliumcarbonat in 400 cm3 Wasser innerhalb einer Stunde zu.
Man lässt 48 Stunden bei Zimmertemperatur rühren, saugt vom ausgeschiedenen Niederschlag Kaliumhydrocarbonat ab und verdampft das Lösungsmittel in Vakuum. Der zähe, dunkelbraune Rückstand wird mit zirka 300 cm3 Äthanol übergossen und 16 Stunden stehengelassen. Das dabei auskristallisierte Produkt wird abgesaugt, in wenig Wasser gelöst, die Lösung klarfiltriert und mit verdünnter Salzsäure auf pH 2-3 eingestellt. Das hiebei ausgefällte Produkt wird scharf abgesaugt. Es schmilzt roh unter Zersetzung bei 188-190 C, nach einmaligem Umlösen aus Wasser bei 190-191 C unter Zersetzung. Ausbeute : 125 g- 46, 5% der Theorie.
CHi, 0, N, (268) her. : C = 49, 25 o H = 4, 51% N = 10, 45% gef. : C = 49, 42% H = 4, 61% N = 10, 38%.
An Stelle von Dimethylformamid kann auch die gleiche Menge Alkohol als Lösungsmittel verwendet werden.
Die auf diese Weise erhaltene Verbindung ist das D, L-threo-N-Acetyl-p-nitrophenyl-serin. Der auf üblichem Wege hieraus darstellbare Äthylester vom F. 1870 C ist nach Schmelzpunkt und Mischschmelzpunkt identisch mit dem nach G. Ehrhart, B. 86,485 (1953) erhaltenen NAcetyl-p-nitrophenylserinäthylester.
Beispiel 7: 21,7 g Acetaminomalonsäuredi- äthylester (0, 1 Mol) werden in 50 cm3 absol.
Alkohol suspendiert und unter Rühren bei Zimmertemperatur mit einer Lösung von 5, 6 g Kaliumhydroxyd in 30 cm3 absol. Alkohol innerhalb 2 Stunden versetzt. Anschliessend wird noch 24 Stunden bei Zimmertemperatur weitergerührt. Dann lässt man zu der so erhaltenen Lösung des Acetaminomalonsäure-monoäthylesters, die schwach alkalisch reagieren soll, eine Lösung von 15 g 4-Nitrobenzaldehyd (0, 1 Mol) in 75 cm3 Dimethylformamid innerhalb einer halben Stunde tropfen. Man rührt 48 Stunden bei Zimmertemperatur weiter, saugt vom abgeschiedenen Bicarbonat ab, verdampft das Lösungsmittel in Vakuum und verreibt den Rückstand mit Wasser, worauf der D, L-threo-NAcetyl-p-nitrophenylserinäthylester kristallisiert.
NachUmlösenauswenigMethanolF. 186-187 C.
Ausbeute : 10 g = 54% der Theorie. Identisch nach Schmelzpunkt und Mischschmelzpunkt mit dem in Beispiel 6 erwähnten N-Acetyl-p-nitrophenylserinäthylester.
Beispiel 8 : Ein Gemisch von 18, 9 g (0, 1 Mol) Acetaminomalonsäuremonomethylester, 50 cm3 Alkohol und 10, 7 g (0, 1 Mol) Pyridin-4-aldehyd werden unter Rühren bei Zimmertemperatur mit 10 g (0, 1 Mol) Triäthylamin vermischt. Der Ansatz bleibt 16 Stunden bei Zimmertemperatur stehen. Nach Verdampfen des Lösungsmittels kristallisiert das Reaktionsprodukt beim Stehen im Eisschrank. Ausbeute : 19 g = 75% der Theorie N-Acetyl-ss-[pyridil-(4)]-serinäthylester, Fp. 130 C.