AT242676B

AT242676B - Verfahren zur Herstellung von N-Monoacylcystein

Info

Publication number: AT242676B
Application number: AT172463A
Authority: AT
Original assignee: Mead Johnson & Co
Priority date: 1962-06-18
Filing date: 1963-03-05
Publication date: 1965-09-27

Description

Verfahren zur Herstellung von N-Monoacylcystein
Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur selektiven N-Monoacylierung von Cystein.

Die Methode ist im Vergleich zu den bisher bekannten Methoden hoch wirksam, erfordert nur gewöhnliche, leicht verfügbare Ausgangsstoffe und ist zur gewerblichen Herstellung von N-monoacylierten Derivaten des Cystein und insbesondere von denen geeignet, bei denen die Acylgruppe einer Mono- oder Dicarbonsäure mit bis zu 6 Kohlenstoffatomen entspricht. Von den N-Acylderivaren von Cystein, von welchen ein typischer Vertreter beispielsweise N-Acetyl-L-cystein ist, ist angegeben, dass sie einzigartige schleimlösende Eigenschaften besitzen und daher für Therapeutika, insbesondere zur Behandlung von Krankheiten der Atmungsorgane, wertvoll sind.

Bei Versuchen, Cystein entweder in Gegenwart oder unter Ausschluss von Wasser mit üblichen Acylierungsmitteln, wie Acylhalogenide, Acylanhydride und Keten, zu acylieren, hat sich gezeigt, dass die N, S-Diacylverbindungen erhalten werden und dass nur eine sehr geringe Ausbeute an N-Monoacylderivat selbst dann erhalten wird, wenn die Menge des Acylierungsmittels beschränkt ist und andere Massnahmen zur Begünstigung der Monosubstitution angewendet werden. Tatsächlich besteht die einzige bisher zur Herstellung von N-Acetylcystein beschriebene Methode in der Acylierung von Cystin mit einem Überschuss an Acylierungsmittel unter Bildung von N, N'-Diacetylcystin, welches dann zur Bildung der freien Thiolverbindung, N-Monoacetylcystein, reduziert wird (M. W. Pirie et al., Biochemical Journal 25 [1931] S. 614 ; i. b. 27 [1933] S. 1716).

Diese Methode bezieht die Reduktion als zusätzliche Stufe nach der Acylierung mit ein. Laboratoriumsmässige Arbeitsweisen zur Isolierung des Produktes sind ebenfalls beschrieben. Beide tragen stark zu den Kosten dieses bekannten Verfahrens bei.

Es wurde nun gefunden, dass N-Monoacylcystein mit hoher Ausbeute und unter verhältnismässig einfacher Handhabung durch Behandeln von Cystein mit einem chemischen Äquivalent eines Alkansäureanhydrids mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen oder eines Alkandisäureanhydrids mit bis zu 6 Kohlenstoffatomen unter solchen Bedingungen hergestellt werden kann, dass ein Alkalimetallsalz oder das Ammoniumsalz des N-Acylcysteins eher gebildet wird als dessen freie Carbonsäure.

Das wird erfindungsgemäss erreicht, indem man Cystein oder dessen Alkali- oder Ammoniumsalze in Wasser bzw. damit mischbaren, reaktionsstabilen organischen Lösungsmitteln mit den genannten Acylierungsmitteln bei etwa -5 bis + 200C umsetzt und das Reaktionsgemisch mindestens 1 h lang auf eine Temperatur von etwa 40 - 750C erhitzt, wobei dieses Verfahren, wenn. obige Cysteinverbindung Cystein selbst ist, in Gegenwart von mindestens einem chemischen Äquivalent eines Neutralisationsmittels, welches ein Alkali- oder Ammoniumsalz einer Säure mit einem pKa-Wert grösser als 3, 2 ist, durchgeführt wird. Dieses neue Verfahren hat den weiteren Vorteil, dass das Ausgangsmaterial nicht razemisiert vird.

Das heisst, bei Verwendung von L-Cystein oder eines Salzes davon als-Ausgangsmaterial wird als Produkt ein N-Acyl-L-cystein und nicht das N-Acyl-DL-cystein erhalten.

Bei Verwendung von Salzen von Säuren mit pKa-Werten über 8,4 als Neutralisationsmittel bildet sich das entsprechende Alkali- oder Ammoniumsalz von Cystein höchstwahrscheinlich zu Anfang und dient als Reaktionskomponente, da der pKa-Wert von Cystein 8, 4 ist. Mit andern Worten, bei Verwendung eines Alkali- oder des Ammoniumsalzes von Cystein als Ausgangsstoff kann es als solches entstehen oder durch Neutralisation von Cystein in situ gebildet werden. Doch gibt es keine Theorie hinsichtlich der Identität des wirksamen reaktionsfähigen Zwischenproduktes bei dem Verfahren, da sich wahrscheinlich wegen der vorhandenen verschiedenen reaktionsfähigen ionischen und nicht ionischen Komponenten in dem Reaktionsgemisch Gleichgewichte bilden.

Das Verfahren kann durchgeführt werden, indem man die Cysteinverbindung und das Pufferungsmittel, soferne eines benutzt wird, in einem Lösungsmittel suspendiert oder löst und eine äquimolekulare Menge des Anhydridacylierungsmittels im Temperaturbereich von etwa -5 bis +200C zusetzt. Unter Cysteinverbindung wird Cystein selbst oder ein Alkali- oder das Ammoniumsalz davon verstanden. Wenn diese Arbeitsweise bei Temperaturen wesentlich oberhalb 200C durchgeführt wird, so werden niedrigere Ausbeuten des Produktes erhalten. Cystein scheint sich bei Temperaturen oberhalb 200C merklich zu zersetzen, da zuweilen beim Erwärmen Schwefelwasserstoffgeruch auftritt.

Das nach dem erfindungsgemässen Verfahren gebildete N-Acylcysteinsalz-Zwischenprodukt ist viel stabiler als das Cysteinausgangsmaterial ; nach dessen Bildung lässt man das Reaktionsgemisch auf Zimmertemperatur erwärmen und erhitzt mindestens 1 h lang auf etwa 40 - 750C, um die Vervollständigung der Umsetzung und maximale Ausbeute des des Produktes sicherzustellen.

Da Cystein und seine Salze der oxydativen Umwandlung in Cystin unterliegen, wird das Verfahren vorzugsweise in Abwesenheit von Luft unter Anwendung einer inerten Atmosphäre, wie Stickstoff oder ein anderes gegenüber der Umsetzung inertes Gas, durchgeführt.

Beim erfindungsgemässen Verfahren haben sich verschiedene Lösungsmittel als zufriedenstellend erwiesen ; das bevorzugte Lösungsmittel ist Tetrahydrofuran mit einem Gehalt an etwa 10 Gew-% Wasser.

Wasser selbst und damit mischbare reaktionsstabile organische Lösungsmittel sind geeignet. Unter reaktionsstabilen organischen Lösungsmitteln werden organische Flüssigkeiten verstanden, die weder mit dem Anhydrid-Acylierungsmittel, dem gegebenenfalls benutzten Neutralisationsmittel, noch der Cysteinverbindung unter den Reaktionsbedingungen, d. h. innerhalb des Temperaturbereiches von etwa -5 bis +75 C, reagieren. Insbesondere wurde gefunden, dass Wasser, die niederen Alkanole, die niederen Alkandiole und deren Äther, ebenso wie niedere aliphatische cyclische Äther und deren Gemische brauchbar sind.

Beispiele für geeignete organische Lösungsmittel sind Methanol, Äthanol, Isopropanol, Tetrahydrofuran, Dioxan, Äthylenglykol, Propylenglykol, Monomethyläther, Äthylenglykolmonomethyläther, Äthylenglykoldimethyläther und deren Gemische mit Wasser usw.

Anhydrid-Acylierungsmittel aus der Klasse von Alkansäureanhydriden mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen, wie Essigsäureanhydrid, Propionsäureanhydrid, Acetoameisensäureanhydrid, uttersäureanhydrid.

Pentansäureanhydrid und Hexansäureanhydrid, sind geeignet. Ebenso sind die cyclischen Alkandisäureanhydride mit bis zu 6 Kohlenstoffatomen, wie Bernsteinsäureanhydrid, Methylbernsteinsäureanhydrid, Glutarsäureanhydrid und Methylglutarsäureanhydrid, geeignet.

Das Acylierungsprodukt kann entweder als das als Zwischenprodukt gebildete Alkali-oder Ammoniumsalz gewonnen werden oder es kann vorzugsweise durch Zusatz einer ausreichenden. Menge einer starken Säure, einschliesslich Mineralsäuren, wie Salzsäure, Schwefelsäure, Phosphorsäure oder Bromwasserstoff-
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dere bei der Herstellung von N-Acetylcystein ; doch variiert die beste Isolierungsmethode entsprechend der jeweilig herzustellenden Verbindung und den bei dem Verfahren gewählten Arbeitsbedingungen und Lösungsmitteln.

Die folgenden Beispiele dienen zur weiteren Erläuterung der Durchführung der vorliegenden Erfindung.

Beispiel l : N-Acetyl-L-cystein durch selektive Direktacylierung in Gegenwart von Natriumacetat.
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(0,4 Mol) Natriumacetattrihydrat zugegeben. Das Gemisch wird 20 min lang bei Zimmertemperatur gerührt, um die Neutralisation des Hydrochloridsalzes sicherzustellen, wobei eine Suspension von äquimolekularen Mengen Cystein und Natriumacetat entsteht. Dann wird das Gemisch durch Kühlen von aussen auf 3-8 C, insbesondere 3-6 C, abgekühlt, und 20 cms (20,8 g, 0,21 Mol) Essigsäureanhydrid werden tropfenweise unter Kühlen auf eine im obigen Bereich liegende Temperatur hinzugefügt. Die entstehende bewegliche Suspension wird 6 h lang bei Zimmertemperatur gerührt, über Nacht stehen gelassen und schliesslich 4 h unterRückflusskühlung (720C) erhitzt.

Dann wird die entstehende Suspension von Natrium- - N-acetyl-L-cysteinat bei 0-20 C, insbesondere 5-10 C, durch Behandeln mit 8 g Chlorwasserstoff neutralisiert. Das sich bildende Natriumchlorid wird abfiltriert, das Produkt durch Destillieren des Lö-
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3g (80, 6% d. Th.) N-AcetylcysteinEs ist zu beachten, dass im Beispiel 1 zwei chemische Äquivalente Natriumacetat als Neutralisationsmittel bezüglich der Cysteinhydrochloridreaktionskomponente benutzt werden. Daher ist die hier definierte Cysteinverbindung in diesem Beispiel Cystein selbst, welches durch Neutralisation des in den Reaktionsbehälter gebrachten Hydrochloridsalzes in. situ gebildet wird.

Die im Beispiel 1 angegebenen Zeiten sind etwas willkürlich, da sie vom Gesichtspunkt der Zweckmüssigkeit ausgewählt worden sind. Die minimale Erhitzungsdauer nach dem Zusatz des Essigsäureanhydrids ist 1 h und die Temperatur liegt im Bereich von etwa 40 - 750CÏ insbesondere erhitzt man mindestens 4 h auf etwa 60-65 C.

Verschiedene andere Lösungsmittel können im Beispiel l mit im wesentlichen denselben Ergebnissen angewendet werden, wobei 70% igue Ausbeute bei Verwendung von Methanol, 61% igue Ausbeute bei Verwendung von Isopropanol, 78% igue Ausbeute bei Verwendung von 90%igem wässerigem Isopropanol, 74%ige Ausbeute bei Verwendung von 100%igem Tetrahydrofuran und 63% igue Ausbeute bei Verwendung von Wasser erhalten wird.

Die folgenden Salze können als Neutralisationsmittel auf Basis chemischer Äquivalente an Stelle von Natriumacetat bei der Verfahrensweise des Beispiels 1 mit im wesentlichen denselben Ergebnissen eingesetzt werden : Natriumlactat, Ammoniumlactat, Kaliumacetat, Lithiumacetat, Ammoniumacetat, Natrium-, Kalium- und Lithiumcarbonate und-bicarbonate, Natriumsuccinat, Kaliumsuccinat, Ammoniumsuccinat, Natriumpropionat, Kaliumpropionat, Natriumformiat, Kaliumformiat, Lithiumformiat und Ammoniumformiat.

Die folgenden Neutralisationsmittel können neben der Menge des zum Freimachen der Cysteinreaktionskomponente aus seiner Hydrochloridsalz benötigten Mittels auf äquimolekularer Basis mit im wesentlichen denselben Ergebnissen an die Stelle von Natriumacetat treten : Dinatriumphos-
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auf halbmolarer Basis mit im wesentlichen denselben Ergebnissen an Stelle von Natriumacetat benutzt werden : Trinatriumphosphat, Trikaliumphosphat, Trinatriumcitrat und Trikaliumcitrat.

Wenn bei dem Verfahren des Beispiels 1 keine Stickstoffatmosphäre benutzt wird, so werden etwas niedrigere Ausbeuten erhalten.

Beispiel 2 : N-Acetyl-L-cystein durch selektive Direktacylierung in Gegenwart von Trinatriumphosphat.

Beispiel 1 wird wiederholt, wobei das in diesem Beispiel benutzte Natriumacetat durch 76 g (0,2 Mol) Na3 PO. 12H 0 als Neutralisationsmittel ersetzt wird. Es wird N-Acetylcystein von gleicher Qualität in einer Menge von 23,5 g (72lao) in der in jenem Beispiel angegebenen Weise gewonnen.

Beispiel 3 : N-Succinyl-L-cystein.

Die Arbeitsweise des Beispiels 1 wird wiederholt, wobei das in diesem Beispiel angegebene Essigsäureanhydrid durch 20 g (0,2 Mol) Bernsteinsäureanhydrid ersetzt wird. Das Produkt wird als Öl in einer Ausbeute von 41, 6 g (94, 2% d. Th.) gewonnen, welches bei Behandlung mit 150 cm wasserfreiem Äther fest wird. Es wird aus Wasser zweimal umkristallisiert, wobei ein weisser Feststoff mit dem F. 141-142 C,
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3,Analyse : C = 38, 381o H = 5, 08% N = 6, 03% SH = 14, 6%.

Beispiel 4 : N-Propionyl-L-cystein.

26,4 g (0,202 Mol) Propionsäureanhydridwerden-unter Rühren im Verlauf von 30 min bei 0-5 C zu einer Suspension von 35, 2 g (0,2 Mol) L-Cysteinhydrochloridmonohydrat und 38,4 g (0,4 Mol) Natriumpropionat in 18,2 cm Wasser und 80 ems Tetrahydrofuran unter Stickstoffatmosphäre langsam zugesetzt.

Dann wird die Reaktion wie im Beispiel 1 beschrieben durchgeführt, mit einer Ausbeute von 21,7 g
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eingestellt ist).

Analyse : N = 7, 69% SH = 18, 60/0.
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säureanhydrid usw., nach der Methode des Beispiels 1 hergestellt werden. Ebenso kann DL-Cystein oder das reine D-Isomere des Cysteins nach dieser Methode mit gleicher Ausbeute acyliert werden, ohne dass Razemisierung auftritt.

Beispiel S : N-Acetylcystein durch selektive N-Acylierung von Natriumcysteinat.

24, 2 g (0,2 Mol) L-Cystein werden unter Stickstoffatmosphäre bei 10 - 150C zu einer frisch herge- stellten Lösung von 0,2 Mol Natriummethylat in 200 cm3 wasserfreiem Methanol gegeben. Nach vollständiger Auflösung wird das Gemisch auf -5 bis 0#Cabgekühlt und 20 cm Essigsäureanhydrid werden langsam zugesetzt. Dann wird das Gemisch über Nacht gerührt, was zu einer klaren Lösung führt, welche

4hlang auf50 - 600Cerwärmt wird. Dann wird die entstehende Lösung von Natrium-N-acetyl-L-cysteinat durch Behandeln mit 3n-methanolischem Chlorwasserstoff neutralisiert. Das Natriumchlorid wird abfiltriert und die Lösung aus dem Filtrat im Vakuum bei 40 - 500C abdestilliert.

Das zurückbleibende Öl wird in 35 ems Wasser gelöst und zum Kristallisieren in den Kühlschrank gestellt, Das gereinigte Produkt wird in zwei Teilmengen von insgesamt 21,5 g (670/0 d. Th.) mit dem F. von 108 bis 1100C gewonnen.

Wenn die Arbeitsweise des Beispiels 5 unter Weglassen des Natriummethylats bei einem Versuch wiederholt wird, um die Acylierung von L-Cystein ohne Arbeiten über das Natriun. salz und ohne Mitwirkung eines Neutralisationsmittels zur Bildung eines Salzes des gebildeten Produktes zu erreichen, so wird eine 11, 4% ige Ausbeute an N-Acetylcystein mit dem F. 105-108 C erhalten.

Die versuchsweise vorgenommene Acylierung von L-Cystein in wässeriger Lösung mit Essigsäureanhydrid ohne Unterstützung durch ein Neutralisationsmittel zur Bildung eines Salzes des entstehenden Produktes ergab eine Ausbeute von 24% N - Acetyl-L-cystein. Dieser Versuch wurde wie im Beispiel 1 beschrieben durchgeführt, jedoch unter Verwendung von Wasser als Lösungsmittel und Herabsetzung der Natriumacetatmenge von 0,4 auf 0, 2 Mol : das ist gerade ausreichend zum Neutralisieren des als Ausgangsmaterial angewendeten Hydrochloridsalzes des Cystein.

Beispiel 6 : N-Acetylcystein durch selektive N-Acylierung von Ammoniumcysteinat.

Unter Rühren (und unter Stickstoff) werden zu einer Suspension von 35, 2 g (0,2 Mol) L-Cysteinhydro-
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man 20 ml (29,8 g, 0,21 Mol) Essigsäureanhydrid zu und hält durch Kühlen die Temperatur im vorstehend angegebenen Bereich. Nach dem Rühren über Nacht bei Zimmertemperatur wird das Gemisch 4 h lang unter Rückflusskühlung erhitzt. Während des Abkühlens auf 0-5 C werden 17 cm konz. Salzsäure (36, 5 - 38% Chlorwasserstoff, spez. Gewicht bei 15, 560C = 1, 1854 - 1, 1923) langsam dem Gemisch und anschliessend 250 cm3 Tetrahydrofuran zugesetzt. Das ausfallende Ammoniumchlorid (17 g) wird abfiltriert. Das Filtrat wird unter Bildung von 37 g Öl eingeengt, welches in 25 cm Wasser gelöst wird.

Die Lösung wird abgekühlt und ergibt beim Kristallisieren 21,3 g (65, Sla d. Th.) N-Acetylcystein mit dem F. 105-107 C, das eine weisse Farbe zeigt.

Wenn mehrere besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung oben gezeigt werden, so ist dies natürlich so zu verstehen, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt sein soll, da viele Modifikationen benutzt werden können.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von N-Monoacylcystein, gegebenenfalls in Form seines Salzes, dadurch gekennzeichnet, dass man Cystein oder dessen Alkali-bzw. Ammoniumsalze in Wasser bzw. damit mischbaren, reaktionsstabilen organischen Lösungsmitteln mit einem chemischen Äquivalent eines Acylierungsmittels aus der Alkansäureanhydride mit bis zu 12 Kohlenstoffatomen und Alkandisäureanhydride mit bis zu 6 Kohlenstoffatomen umfassenden Gruppe bei etwa -5 bis +200C umsetzt und das Reaktionsgemisch danach mindestens 1 h lang auf eine Temperatur von etwa 40 bis 75 C erhitzt, wobei dieses Verfahrens, wenn obige Cysteinverbindung Cystein ist,

in Gegenwart von mindestens einem chemischen Äquivalent eines Neutralisationsmittels aus der Alkali- und Ammoniumsalze von Säuren mit pKa-Werten oberhalb 3,2 umfassenden Gruppe durchgeführt wird.
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Claims

3 - 80C durchführt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass man das N-Monoacylcystein aus dem bei diesem Verfahren entstehenden N-Monoacylcysteinsalz durch Säurezusatz gewinnt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man das Reaktionsgemisch in einer inerten Atmosphäre hält. EMI4.3 Cysteinverbindung L-Cystein, Natriumcysteinat oder Kaliumcysteinat verwendet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dassmanals Cysteinverbindung ein Alkalisalz des Cysteins benutzt, welches in situ durch Umsetzen von Cystein mit einer Verbindung aus der Alkalihydroxyde, Alkalialkoxyde und Alkalisalze von Säuren mit pKa-Werten über 8,4 umfassenden Gruppe gebildet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man als Acylierungsmittel Essigsäureanhydrid oder Bernsteinsäureanhydrid benutzt. <Desc/Clms Page number 5>

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man als Lösung mittel ein niederes Alkanol verwendet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man als Lösungsmittel Tetrahydrofuran verwendet.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Neutralisationsmittel ein Alkalisalz einer aliphatischen Carbonsäure verwendet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man Natriumacetat verwendet.

12. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von. N-Acetylcystein, dadurch gekennzeich- net, dass man eine äquimolare Menge Essigsäureanhydrid zu einer Suspension einer äquimolaren Menge Cystein und einer äquimolaren Menge Natriumacetat in Tetrahydrofuran unter Mischen bei etwa 3 bis SOC zusetzt, dieses Gemisch sodann mindestens 4 h lang auf etwa 60 - 650C erhitzt, hierauf das entstandene Gemisch auf etwa 0 - 20C abkühlt und dieses abgekühlte Gemisch mit einer ausreichenden Menge einer starken Säure zum Neutralisieren des entstandenen Natrium-N-acetylcysteinats behandelt.