Verfahren zur Herstellung von 4-Amino-3-isoxazolidinonen D-4-Amino-3-isoxazolidinon wird als Antibioti kum unter der Bezeichnung Oxamycin, Seromycin, oder Cykloserin verwendet. Dieser Stoff wurde zu nächst durch Isolierung aus biologischem Material dargestellt.
Die erste Synthese, vom Serinmethylesterhydro- chlorid ausgehend, wurde als vorläufige Mitteilung in J. Am. Chem. Soe. 77, 2345 (1955) publiziert. Diese Synthese hat 6 Preparationsstufen, von welchen einige sehr anspruchsvoll sind.
Gemäss der vorliegenden Erfindung können Oxa- mycin sowie seine L- und D,L-Form und dessen durch Substitution an der Aminogruppe entstandenen Derivate durch eine 3stufige Synthese dargestellt wer den, wobei man Ester der substituierten Äthylenimin- carbonsäuren (I) als Ausgangsstoff verwendet. Diese Ester werden in der ersten Stufe durch Umsetzung mit Hydroxylamin in die entsprechenden Hydroxamsäuren überführt (11).
In der zweiten Stufe wird der Äthylen- iminring durch Einwirkung von sauren Mitteln des Typus HX unter Entstehung einer f X-a-NHR-Pro- piohydroxamsäure (III) geöffnet, worauf man diese Säure in der dritten Stufe mittels alkalischer Konden sationsmittel zum entsprechenden 4-Amino-3-isoxa- zolid'inon zyklisiert.
Die Reaktion kann schematisch folgendermassen dargestellt werden:
EMI0001.0042
worin X ein Halogenatom oder die Gruppe -O -S02R", wobei R" ein Alkyl-, Aryl- oder Aralkylrest ist, R einen Alkyl- oder Aralkylrest und R' einen Alkylrest bedeuten.
Die Darstellung der Hydroxamsäure in der ersten Stufe wird durch Einwirkung von Hydroxylamin, ge gebenenfalls in einer alkoholischen Lösung, auf einen Ester einer entsprechend N-substituierten Äthylen- imincarbonsäure, eventuell in einem organischen Lö- sungsmittel, wie z.
B. Dioxan, Tetrahydrofuran oder dergleichen, durchgeführt. Die Ausbeute kann dabei durch Zusatz von alkalischen Mitteln, wie Hydroxy- den, Oxyden oder Alkoholaten der Alkali- oder Erd- alkalimetalle oder auch durch Vergrösserung der Hy- droxylaminmenge über das stöchiometrische Verhält nis hinaus, erhöht werden.
Die Umsetzung in dieser Stufe wird vorteilhaft bei Temperaturen unter dem Siedepunkt des verwendeten Lösungsmittels durch- geführt. Als saures Mittel HX wird in der zweiten Stufe eine Halogenwasserstoffsäure, z. B. Chlorwasserstoff, Bromwasserstoff oder eine Alkyl-, Aryl- oder Aralkyl- sulfonsäure verwendet.
Diese Mittel werden zweck mässig in zwei- oder dreifacher stöchiometrischer Menge zugesetzt. Auch hier arbeitet man vorzugs weise in einem organischen Lösungsmittel, wie Ben zol, Chloroform oder Äther. Die Umsetzung kann man entweder in einem offenen Gefäss unter dem Sie depunkte des Lösungsmittels oder auch in einem ge schlossenen Gefäss bei höheren Temperaturen, das heisst unter Druck vollenden.
Das gleichzeitig entste hende Isomere, die ss-Amino-a-X-propiohydroxam- säure, kann durch Umkristallisierung aus Wasser oder Methanol oder aus deren Gemischen, gegebenenfalls unter Zusatz von Äther, Dioxan oder andern Lö sungsmitteln entfernt werden. Während der Ringöff nung kann der Substituent R eventuell abgespaltet und durch Wasserstoff ersetzt werden. Dies geschieht z. B., wenn R eine Triarylmethylgruppe ist.
Als alkalische Kondensationsmittel in der letzten Stufe können Hydroxyde, Alkoholate oder Oxyde der Alkalimetalle oder auch Erdalkalimetalloxyde, alkalisch reagierende Salze, Ammoniak, Amine und organische Stickstoffbasen verwendet werden. Besonders gute Er gebnisse erhält man, wenn man als alkalische Kon densationsmittel stark basische Anionenaustauscher benutzt.
<I>Beispiel 1</I> 61,7 g D,L-Triphenylmethyl-äthylenimin-2-ear- bonsäure-methylester werden in 100 ml Dioxan ge löst. Diese Lösung wird einem Gemisch zugesetzt, das vorher durch Auflösen von 12,4 g Natriummetall in 150 ml Methanol und Zusatz von 25,2g Hydroxyl- aminhydrochlorid in 150 ml Methanol bereitet wor den ist. Das Gemisch wird 3 Tage bei Raumtempera tur stehengelassen, worauf 100 ml Wasser und 22 ml Eisessig zugesetzt werden.
Die Lösung wird mit Was ser auf 2000 ml verdünnt, wodurch die rohe Hydro- xamsäure ausfällt. Durch Umkristallisieren aus 600 ml Benzol werden 58g der D,L-1-Triphenylmethyl-äthy- lenimin-2-carbohydroxamsäure, Smp. 132-136 C, gewonnen.
34 g dieses Stoffes werden in 100 ml Chloroform gelöst, dann werden 200 ml Benzol zugefügt und gas förmiger Chlorwasserstoff bis zur Sättigung eingeleitet. Nach 2 Stunden hat sich eine unlösliche Substanz aus geschieden, die durch Auflösen in 200 ml Metha nol und Fällen mit 200 ml Äther gereinigt wird. Es werden 11,6 g des D,Lss-Chlor-a-aminopropiohydro- xamsäure-hydrochlorids, Smp. 184-187 C, gewon nen.
7 g dieser Substanz werden in 200 ml Wasser ge löst, und die Lösung wird durch eine kleine Kolonne mit einem stark basischen Anionenaustauscher (z. B. das Markenprodukt Amberlite IRA-400 oder Staio- nit OAL) durchfliessen gelassen. Dann wird die Ko lonne mit 200 ml Wasser und 50 ml Methanol durch gewaschen und die erwünschte Substanz durch Eluie- ren mit 10 ml Essigsäure in 500 ml Methanol gewon- nen. Es werden Fraktionen von je 100 ml aufgefan gen.
Durch Abkühlen auf -70 C kristallisiert aus einer der Fraktionen D,L-4-Amino-3-isoxazolidinon in einer Ausbeute von 2 g, Smp. 138-140 C.
<I>Beispiel 2</I> 90,6 g D,L-1-Benzhydryläthylenimin-2-carbon- säuremethylester werden in<B>100</B> ml Methanol gelöst, und die Lösung wird auf einmal einem Gemische von 47 g Hydroxylaminhydrochlorid in 500 ml Methanol und 23,8g Natrium in 400 ml Methanol bei 40 C zugesetzt. Nach 55stündigem Stehen bei Raumtempe ratur werden 500 ml Wasser und 70 ml Eisessig zu gefügt. Es werden 87,1g Hydroxamsäure, Smp. 152 bis l56 C, gewonnen.
53,6 g dieses Produktes werden in 400 ml Benzol suspendiert, und in diese Suspension wird trockener Chlorwasserstoff 2 Stunden unter Rühren und Kühlen auf 0 C eingeleitet. Weitere 2 Stunden wird trockener Chlorwasserstoff. ohne Kühlen eingeleitet. Nach 10- stündigem Stehen bei Raumtemperatur können 79 g eines kristallischen Hydrochlorids erhalten werden.
Durch Umkristallisieren werden 53g D,L-ss-Chlor-a- benzhydrylaminopropiohydroxamsäure - hydrochlorid, Smp. 172 C, gewonnen.
27,2 g dieses Stoffes werden in 800 ml Methanol aufgelöst, und diese Lösung wird bei 0 C unter Rüh ren einer Lösung von 20 g Natriumcarbonat in 1600 ml Wasser zugesetzt. Nach 96stündigem Stehen bei Raumtemperatrur wird die Lösung mit 15 ml Eisessig in 200 ml Äthanol angesäuert. Nach weiteren 12 Stunden bei 40 C werden 18 g D,L-4-Benzhydryl- amino-3-isoxazolidinon, Smp. 136^C, gewonnen.
<I>Beispiel 3</I> 67,5 g D,L-1-Benzyläthylenimin-2-carbonsäure- methylester werden in 50 ml Äthanol gelöst, und diese Lösung wird einem Gemisch von 49,6 g Hydroxyl- aminhydrochlorid in 250 ml Methanol und 24,6 g Natrium in 300 ml Methanol, auf 0 C abgekühlt, zu gesetzt. Nach 48stündigem Stehen bei Raumtempera tur wird das Methanol am Vakuum abdestilliert, der Rückstand mit 150 ml Wasser verdünnt und mit 65 ml Eisessig angesäuert.
Es werden 50 g D,L-1-Benzyl- äthylenimin-2-carbohydroxamsäure, Smp. <B>151</B> bis <B>1520</B> C, gewonnen. 20 g dieser Säure werden in 300 ml Benzol suspendiert, und dann wird trockener Chlor wasserstoff bei Raumtemperatur bis zur Sättigung ein geleitet. Nach 24 Stunden können 28 g eines Produk tes gewonnen werden, aus welchem durch Umkristal- lisierung 20,5 g D,L,ss-Chlor-a-benzylaminopropio- hydroxamsäure-hydrochlorid, Smp. 134-136 C, er halten werden.
8 g dieses Hydrochlorids werden in 300 ml Metha nol gelöst und die Lösung bei 0 C in eine Lösung von 2,4 g Natriumhydroxyd in 500 ml Wasser eingegos sen. Nach 62stündigem Stehen bei 4 C wird die Lö sung mit Essigsäure auf pH 6 angesäuert. Es werden 4,5g D,L-4-Benzylamino-3-isoxazolidinon, Smp. 147 C, erhalten.
<I>Beispiel 4</I> 7,3g D-1-Triphenylmethyläthylenimin-2-carbon- säure-methylester werden in 10 ml Dioxan gelöst, und die so erhaltene Lösung wird bei Raumtemperatur einem Gemisch von 3 g Hydroxylaminhydrochlorid in 25 ml Methanol und 1,5g Natrium in 25 ml Methanol zugesetzt. Nach 5tägigem Stehen bei Raumtemperatur wird das Gemisch mit 2,6 ml Essigsäure angesäuert und langsam unter Rühren mit 200 ml Wasser ver dünnt. Das ausgeschiedene Produkt wird mit 200 ml Wasser gewaschen und bei 40 C getrocknet.
Es werden 7,3g D-1-Triphenylmethyläthylenimin-2-carbohydro- xamsäure, Smp. 122-123 C, gewonnen.
7,3 g dieses Stoffes werden in 50 ml Benzol ein gerührt, und das Gemisch wird bei Raumtemperatur mit Chlorwasserstoff gesättigt. Nach einstündigem Stehen wird der ausgeschiedene Stoff abgesaugt und aus einem Gemisch von 60 ml Methanol und 120 ml Äther umkristallisiert. Es werden 2,95 g D-a-Amino- ss-chlorpropiohydroxamsäure-hydrochlorid, Smp. 197 bis 198 C, erhalten.
2 g dieses Stoffes werden in 20 ml Wasser gelöst und die Lösung über eine 40-ml-Kolonne mit Anio- nenaustauscher Amberlite IRA-400 im OH-Cyklus fliessen gelassen. Nach Auswaschen der Kolonne mit <B>100</B> ml Wasser wird langsam mit 20o/oiger Essigsäure ausgelaugt. Das mit Eisenchlorid rot reagierende Eluat wird aufgefangen und mit 80 ml Äthanol verdünnt.
Durch Abkühlen der äthanolischen Lösung auf -70 C werden 0,6 g D-4-Amino-3-isoxazolidinon gewonnen. Die Substanz ist identisch mit dem natür lichen Antibiotikum Cykloserin. (a)D = l14,5 C, Smp. 150-152<B>0</B> C.
Process for the preparation of 4-amino-3-isoxazolidinones D-4-amino-3-isoxazolidinone is used as an antibiotic under the name Oxamycin, Seromycin, or Cycloserin. This substance was initially represented by isolation from biological material.
The first synthesis, starting from serine methyl ester hydrochloride, was published as a preliminary communication in J. Am. Chem. Soe. 77, 2345 (1955) published. This synthesis has 6 preparation stages, some of which are very demanding.
According to the present invention, oxamycin and its L- and D, L-form and its derivatives formed by substitution on the amino group can be prepared by a 3-stage synthesis using esters of the substituted ethyleneimine carboxylic acids (I) as starting material. In the first stage, these esters are converted into the corresponding hydroxamic acids by reaction with hydroxylamine (11).
In the second stage, the ethylene imine ring is opened by the action of acidic agents of the HX type to form a f Xa-NHR-propiohydroxamic acid (III), whereupon this acid is converted into the corresponding 4-amino in the third stage by means of alkaline condensation agents -3-isoxazolid'inon cyclized.
The reaction can be shown schematically as follows:
EMI0001.0042
wherein X is a halogen atom or the group -O -SO2R ", where R" is an alkyl, aryl or aralkyl radical, R is an alkyl or aralkyl radical and R 'is an alkyl radical.
The representation of the hydroxamic acid in the first stage is carried out by the action of hydroxylamine, if necessary in an alcoholic solution, on an ester of an appropriately N-substituted ethylene imine carboxylic acid, possibly in an organic solvent, such as.
B. dioxane, tetrahydrofuran or the like performed. The yield can be increased by adding alkaline agents such as hydroxides, oxides or alcoholates of the alkali or alkaline earth metals or by increasing the amount of hydroxylamine beyond the stoichiometric ratio.
The reaction in this stage is advantageously carried out at temperatures below the boiling point of the solvent used. As the acidic agent HX, a hydrohalic acid, e.g. B. hydrogen chloride, hydrogen bromide or an alkyl, aryl or aralkyl sulfonic acid is used.
These agents are expediently added in two or three times the stoichiometric amount. Here, too, one works preferentially in an organic solvent such as benzene, chloroform or ether. The reaction can be completed either in an open vessel under the point of the solvent or in a closed vessel at higher temperatures, that is, under pressure.
The isomer formed at the same time, the ß-amino-α-X-propiohydroxamic acid, can be removed by recrystallization from water or methanol or from mixtures thereof, optionally with the addition of ether, dioxane or other solvents. During the ring opening, the substituent R can possibly be split off and replaced by hydrogen. This happens e.g. B. when R is a triarylmethyl group.
Hydroxides, alcoholates or oxides of the alkali metals or alkaline earth metal oxides, alkaline salts, ammonia, amines and organic nitrogen bases can be used as alkaline condensation agents in the last stage. Particularly good results are obtained when using strongly basic anion exchangers as the alkaline condensation agent.
<I> Example 1 </I> 61.7 g of D, L-triphenylmethyl-ethyleneimine-2-earboxylic acid methyl ester are dissolved in 100 ml of dioxane. This solution is added to a mixture which has previously been prepared by dissolving 12.4 g of sodium metal in 150 ml of methanol and adding 25.2 g of hydroxylamine hydrochloride in 150 ml of methanol. The mixture is left to stand for 3 days at room temperature, after which 100 ml of water and 22 ml of glacial acetic acid are added.
The solution is diluted to 2000 ml with water, which causes the crude hydroxamic acid to precipitate. 58 g of D, L-1-triphenylmethyl-ethylenimine-2-carbohydroxamic acid, melting point 132-136 ° C., are obtained by recrystallization from 600 ml of benzene.
34 g of this substance are dissolved in 100 ml of chloroform, then 200 ml of benzene are added and gaseous hydrogen chloride is passed in until it is saturated. After 2 hours an insoluble substance has separated out and is purified by dissolving it in 200 ml of methanol and precipitating it with 200 ml of ether. 11.6 g of the D, Lss-chloro-a-aminopropiohydroxamic acid hydrochloride, melting point 184-187 ° C., are obtained.
7 g of this substance are dissolved in 200 ml of water and the solution is allowed to flow through a small column with a strongly basic anion exchanger (e.g. the branded product Amberlite IRA-400 or Station OAL). The column is then washed through with 200 ml of water and 50 ml of methanol and the desired substance is obtained by eluting with 10 ml of acetic acid in 500 ml of methanol. Fractions of 100 ml each are collected.
On cooling to -70 ° C., D, L-4-amino-3-isoxazolidinone crystallizes from one of the fractions in a yield of 2 g, melting point 138-140 ° C.
<I> Example 2 </I> 90.6 g of D, L-1-benzhydrylethyleneimine-2-carboxylic acid methyl ester are dissolved in <B> 100 </B> ml of methanol, and the solution is all at once a mixture of 47 g of hydroxylamine hydrochloride in 500 ml of methanol and 23.8 g of sodium in 400 ml of methanol were added at 40.degree. After 55 hours of standing at room temperature, 500 ml of water and 70 ml of glacial acetic acid are added. 87.1 g of hydroxamic acid, melting point 152 to 156 ° C., are obtained.
53.6 g of this product are suspended in 400 ml of benzene, and dry hydrogen chloride is passed into this suspension for 2 hours while stirring and cooling to 0.degree. Dry hydrogen chloride is added for another 2 hours. initiated without cooling. After standing for 10 hours at room temperature, 79 g of a crystalline hydrochloride can be obtained.
53 g of D, L-ß-chloro-a-benzhydrylaminopropiohydroxamic acid hydrochloride, melting point 172 ° C., are obtained by recrystallization.
27.2 g of this substance are dissolved in 800 ml of methanol, and this solution is added at 0 C with stirring to a solution of 20 g of sodium carbonate in 1600 ml of water. After 96 hours of standing at room temperature, the solution is acidified with 15 ml of glacial acetic acid in 200 ml of ethanol. After a further 12 hours at 40 ° C., 18 g of D, L-4-benzhydrylamino-3-isoxazolidinone, melting point 136 ° C., are obtained.
<I> Example 3 </I> 67.5 g of D, L-1-benzylethyleneimine-2-carboxylic acid methyl ester are dissolved in 50 ml of ethanol, and this solution is a mixture of 49.6 g of hydroxylamine hydrochloride in 250 ml Methanol and 24.6 g of sodium in 300 ml of methanol, cooled to 0 C, are added. After 48 hours of standing at room temperature, the methanol is distilled off in vacuo, the residue is diluted with 150 ml of water and acidified with 65 ml of glacial acetic acid.
50 g of D, L-1-benzylethyleneimine-2-carbohydroxamic acid, melting point 151 to 1520 C, are obtained. 20 g of this acid are suspended in 300 ml of benzene, and then dry hydrogen chloride is passed at room temperature to saturation. After 24 hours 28 g of a product can be obtained from which 20.5 g of D, L, ß-chloro-α-benzylaminopropiohydroxamic acid hydrochloride, melting point 134-136 ° C., are obtained by recrystallization.
8 g of this hydrochloride are dissolved in 300 ml of methanol and the solution is poured into a solution of 2.4 g of sodium hydroxide in 500 ml of water at 0 C. After standing at 4 ° C. for 62 hours, the solution is acidified to pH 6 with acetic acid. 4.5 g of D, L-4-benzylamino-3-isoxazolidinone, melting point 147 ° C., are obtained.
<I> Example 4 </I> 7.3 g of D-1-triphenylmethylethyleneimine-2-carboxylic acid methyl ester are dissolved in 10 ml of dioxane, and the solution thus obtained is a mixture of 3 g of hydroxylamine hydrochloride in 25 ml of methanol at room temperature and 1.5 g of sodium in 25 ml of methanol were added. After standing for 5 days at room temperature, the mixture is acidified with 2.6 ml of acetic acid and slowly diluted with 200 ml of water while stirring. The precipitated product is washed with 200 ml of water and dried at 40.degree.
7.3 g of D-1-triphenylmethylethyleneimine-2-carbohydroxamic acid, melting point 122-123 ° C., are obtained.
7.3 g of this substance are stirred into 50 ml of benzene, and the mixture is saturated with hydrogen chloride at room temperature. After standing for one hour, the precipitated substance is filtered off with suction and recrystallized from a mixture of 60 ml of methanol and 120 ml of ether. 2.95 g of D-α-amino-ß-chloropropiohydroxamic acid hydrochloride, melting point 197 to 198 ° C., are obtained.
2 g of this substance are dissolved in 20 ml of water and the solution is allowed to flow over a 40 ml column with an anion exchanger Amberlite IRA-400 in an OH cycle. After the column has been washed out with 100 ml of water, it is slowly leached with 20% acetic acid. The eluate, which reacts red with iron chloride, is collected and diluted with 80 ml of ethanol.
By cooling the ethanolic solution to -70 ° C., 0.6 g of D-4-amino-3-isoxazolidinone are obtained. The substance is identical to the natural antibiotic Cycloserin. (a) D = 14.5 C, m.p. 150-152 <B> 0 </B> C.