DE10029596A1 - Polybetaaminosäuren als Epoxidierungs-Katalysatoren - Google Patents
Polybetaaminosäuren als Epoxidierungs-KatalysatorenInfo
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft Poly-beta-Aminosäuren und ihre Verwendung in katalytischen organischen Reaktionen, vor allem in Epoxidationsverfahren. DOLLAR A Es werden insbesondere unterstützte oder vernetzte Poly-beta-Aminosäuren und ein bevorzugtes Syntheseverfahren geschützt.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von homo
chiralen Poly-β-Aminosäuren als Katalysatoren für enantio
selektive organische Reaktionen, insbesondere für die kata
lytische enantioselektive Epoxidation von C=C-
Doppelbindungen. Ferner werden spezielle homochirale Poly
β-Aminosäuren und ihre Herstellung erwähnt.
Katalytische enantioselektive organische Reaktionen gehören
zu den bekanntesten und wichtigsten organischen Transforma
tionen für die Einführung von Enantioselektivität in orga
nische Moleküle mit synthetischen Mitteln. Ferner werden in
der Industrie Prozesse bevorzugt, bei denen der Katalysator
wiedergewonnen und wiederverwendet werden kann. Die Kombi
nation beider Aspekte resultiert in ausgezeichneten enanti
oselektiven Prozessen, die für die Massenproduktion organi
scher Moleküle geeignet sind.
Poly-β-Peptide, die Textilchemikern unter der Bezeichnung
Nylon-3-Polymere bekannt sind, sind in den vergangenen 50
Jahren hergestellt und untersucht worden. Es gibt zwei
verschiedene Verfahren zur Herstellung von Poly-β-Peptiden.
Zunächst ist über eine Reihe von Polymerisationsreaktionen
berichtet worden, bei denen ein in geeigneter Weise akti
viertes Monomer unter mehr oder weniger kontrollierten Be
dingungen polymerisiert wird, um eine Auswahl von Poly
merstücken zu erzeugen. Dieses erste Verfahren wurde größ
tenteils im Hinblick auf die Textilindustrie entwickelt, so
dass der Schwerpunkt auf die Herstellung langer Polymerket
ten gelegt wurde. Darüber hinaus wird die Polymerisations
methode in gewissem Maße bei der Herstellung von Polymer
ketten zur Verwendung in Strukturuntersuchungen angewendet,
d. h. zur Herstellung von β-Analogen von Poly-α-Aminosäuren.
Der zweite Ansatz beinhaltet die Nutzung einer schrittwei
sen Peptidbindungssynthese, bei der eine geschützte β-
Aminosäure mit der Peptidkette gekoppelt, die Schutzgruppe
entfernt und die Sequenz wiederholt wird. Natürlich hat die
letztere Methode den Vorteil, dass definierte Primärstruk
turen hergestellt werden können. Folglich kann eine Auswahl
von Monomeren verwendet werden, und es ist möglich, eine
Auswahl von Homopolymeren mit definierter Länge herzustel
len. Auf dem Gebiet der schrittweisen Synthese gibt es zwei
Hauptverfahren; die Lösungsphasen- und die Festphasen-
Synthese (D. S. Breslow, G. E. Hulse und A. S. Matlack, J.
Am. Chem. Soc., 1957, 79, 3760; J. Kovacs, R. Ballina, R.
L. Rodia, D. Balasubramamnian und J. Applequist, J. Am.
Chem. Soc., 1965, 87, 119; H. R. Kricheldorf, α-Aminoacid-
N-Carboxy Anhydrides and Related Heterocycles, Hrsg.,
Springer-Verlag, 1987; H. R. Kricheldorf, 36. Anionic Ring-
opening polymerisation: NCAs, Hrsg. G. Allen und J. C. Be
vington; J. ebenda, 35. Anion Ring-Opening Polymerisation:
Lactams, Hrsg. G. Allen und J. C. Bevington; M. Garcéa-
Alveraz, A. Marténez de Ilarduya, S. León, C. Alemán und S.
Muñoz-Guerra, J. Phys. Chem. A, 1997, 101, 4215; G. Gui
chard und D. Seebach, Chimia, 1997, 51, 315; Seebach et al.
Helv. Chim. Acta, 1996, 79, 913 u. 2043; Marti et al.
Tetrahedron Lett. 1997, 38, 6145).
Es ist bekannt, dass Poly-α-Aminosäuren als Katalysatoren
in enantioselektiven organischen Reaktionen von Nutzen
sind. Es wird vor allem die Epoxidation von C=C-
Doppelbindungen (EP 991233642.3 und EP 99123643.1) be
schrieben. Bisher wurde noch nicht über den Einsatz von Po
ly-β-Aminosäuren als Katalysatoren in enantioselektiven or
ganischen Reaktionen berichtet.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
besteht darin, mehr Katalysatoren bereitzustellen, die für
enantioselektive organische Reaktionen geeignet sind.
Dieser Ansatz wird durch die Verwendung von Katalysatoren
gemäß Anspruch 1 erfolgreich umgesetzt. Spezielle Verwen
dungsausführungen sind in nachfolgenden Unteransprüchen ge
schützt. In den Ansprüchen 5 bis 9 werden spezielle Poly-β-
Aminosäuren erwähnt, und Anspruch 10 betrifft einen bevor
zugten Prozess für ihre Herstellung.
Unerwarteterweise können homochirale Poly-β-Aminosäuren,
insbesondere homochirale Homo-Poly-β-Aminosäuren, als Kata
lysatoren in enantioselektiven organischen Reaktionen ver
wendet werden. Es wird insbesondere bevorzugt, homochirale
Poly-β-Aminosäuren in der Epoxidation von C=C-
Doppelbindungen zu verwenden. Es wird vor allem bevorzugt,
unterstützte oder vernetzte Poly-β-Aminosäuren in dieser
Hinsicht zu verwenden.
Die für die Epoxidation verwendeten Reaktionsbedingungen
können solchen entsprechen, die im Zusammenhang mit Poly
α-Aminosäuren erwähnt werden. Es ist daher sehr vorteil
haft, die Epoxidation in einem zweiphasischen oder dreipha
sischen System durchzuführen, wie ausführlich in der EP 991233642.3
und EP 99123643.1 beschrieben ist.
Die Epoxidation findet vorzugsweise mit H2O2 in jeder be
liebigen Modifikationsart statt, d. h. als wässrige Lösung,
als Komplex mit stickstoffhaltigen Verbindungen, wie z. B.
Harnstoff-Wasserstoffperoxid, als Percarbonat, Perborat und
jede ähnliche Quelle von aktivem Sauerstoff. Die Substrate
für die Epoxidation sind C=C-Doppelbindungen in jeder Art
von organischem Molekül. Das beschriebene Verfahren funkti
oniert besonders gut bei C=C-Doppelbindungen, die an eine
elektronenziehende Gruppe gebunden sind, was in einer e
lektronenarmen Doppelbindung resultiert. Die zu epoxidie
renden Moleküle sind vorzugsweise die in der EP 99123642.3
erwähnten.
Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von für die Erfin
dung relevanten Katalysatoren für enantioselektive organi
sche Reaktionen, da die unlöslichen Katalysatoren nach dem
Gebrauch ohne weiteres wiedergewonnen und wiederverwendet
werden können. Normalerweise werden die Reaktionsgemische
unter Anwendung von Techniken aufgearbeitet, die der Fachkraft
bekannt sind. Die löslichen Produkte, d. h. die Epoxi
de, werden auf vorteilhafte Weise getrennt, indem die Poly-
β-Aminosäure abfiltriert und in einem wässrigen Medium auf
gearbeitet wird. Bei Bedarf kann dann eine Chromatographie
auf Kieselgel oder eine Rekristallisation für Reinigungs
zwecke durchgeführt werden. Die unlöslichen Katalysatoren
können dann getrocknet und wiederverwendet werden.
Die Verwendung dieser neuen Katalysatoren kann auf unter
schiedliche Weise erfolgen. In vielen Fällen wird ein ein
facher diskontinuierlicher Prozess bevorzugt. Es wurde eine
Reihe von Verfahren zum Variieren der Eigenschaften der Ka
talysatoren durchgeführt; es kann eine Auswahl von Trägern
und Adsorptionsmitteln verwendet werden, die andere Anwen
dungsverfahren erleichtern. An dieser Stelle ist es zweck
dienlich, die Verwendung als unlöslicher Katalysator, der -
wie oben erörtert - leicht durch Filtration zu trennen und
wiederzuverwerten ist, sowie die Verwendung in einer Fest
bettkolonne oder einem Membranreaktor in einem kontinuier
lichen Prozess zu erwähnen (DE 199 10 691.6; Wandrey et
al., Tetrahedron Asymmetry 1999, 10, 923-928).
Wie anhand der Praxisbeispiele zu sehen ist, wird eine e
nantioselektive Induktion auf Epoxidation durch erfindungs
gemäße Katalysatoren in fast < 70%ee bei einer Umwandlung
von < 90% erreicht.
In einer weiteren Ausgestaltung betrifft die vorliegende
Erfindung unterstützte oder vernetzte homochirale Poly-β-
Aminosäuren, insbesondere homochirale Homo-Poly-β-
Aminosäuren.
Der Träger kann durch eine kovalente Bindung oder durch Ad
sorption an den Poly-β-Aminosäuren fixiert werden. Träger,
die sich als Adsorptionsmittel eignen, sind der Fachkraft
bekannt. Es werden vor allem solche bevorzugt, die ausge
wählt sind aus der Gruppe bestehend aus SiO2-haltigen Ver
bindungen, Nitratcellulose, Cellulose oder Carbon-Black. Am
meisten werden die in der EP 99123643.1 erwähnten SiO2-
haltigen Verbindungen bevorzugt. Die Mengen der Poly-β-
Aminosäuren pro Einheitsträger können ebenfalls von der EP 99123643.1
abgeleitet werden.
In Bezug auf eine kovalente Bindung werden Träger vorzugs
weise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Harzen (d. h.
epoxidhaltige wie Eupergit, Merrifield, Wang, Tentagel
usw.) und Polysiloxanen. Je nach dem Polymerisationsverfah
ren [siehe: Kricheldorf, α-Aminoacid-N-Carboxy Anhydrides
and Related Heterocycles, Hrsg., Springer-Verlag, 1987,
S. 11] kann der Träger aus jedem geeigneten Polymer mit ei
ner Endgruppe ausgewählt werden, die an die Aminosäurekette
gekoppelt werden kann. Aus diesem Grund können verschiedene
Polymere verwendet werden, die leicht modifizierbar sind,
d. h. Polyether (d. h. Polyethylenglykole, Polypropylenglyko
le), Polystyrole, Polyacrylate und ein Gemisch dieser Poly
mere.
Alternativ können Poly-β-Aminosäuren gemäß der Erfindung
vernetzt werden. Dies kann mit polyfunktionalisierten Ami
nen erreicht werden, d. h. mit solchen, die für die EP 99123642.3
relevant sind. Es wird zum Beispiel die Verwen
dung von Dendrimeren bevorzugt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein
Verfahren zur Herstellung von unterstützten oder vernetzten
Poly-β-Aminosäuren. Die erfindungsgemäßen Polyaminosäuren
können gemäß dem Stand der Technik synthetisiert werden.
Es können drei Hauptansätze zur Herstellung der Katalysato
ren angewendet werden. Zunächst können schrittweise Synthe
severfahren angewendet werden. Gemäß diesem Ansatz finden
die Kopplungsverfahren in der vorliegenden Erfindung Anwen
dung, die Poly-Alpha-Aminosäure-Chemikern bekannt sind. Sie
können entweder auf fester Phase oder in Lösung durchge
führt werden. Zum Zweiten kann eine Polymerisation eines β-
Aminosäurederivats mit einer aktivierten Carbonylgruppe
(unter anderem Säurechloride, Anhydride, Ester, usw.)
durchgeführt werden. Schließlich kann eine Polymerisation
des β-Lactams, das der Aminosäure entspricht, in Anwesen
heit einer katalytischen Base (und gelegentlich eines Coka
talysators von acyliertem Lactam) durchgeführt werden. Die
ses letztere Verfahren wird zur Herstellung reiner Proben
langkettiger Poly-β-Aminosäuren bevorzugt.
Der Begriff homochirale Poly-β-Aminosäure ist so zu verste
hen, dass alle β-Aminosäuren der Kette gleich sind und die
gleiche Chiralität besitzen (homochirale Homo-Poly-β-
Aminosäuren), oder es müssen wenigstens Bereiche, die für
den Einfluss chiraler Informationen auf die Epoxidation
verantwortlich sind, aus den gleichen β-Aminosäuren aufge
baut sein und die gleiche chirale Konformation besitzen.
Folglich können Poly-β-Aminosäuren von heterochiralen α-
oder β-Aminosäuren stammen, solange die oben genannten Be
reiche in dem fraglichen Molekül anwesend sind.
Gemäß der Erfindung können β-Aminosäuren in Position 2 oder
3 oder beiden substituiert werden, d. h. wie in dem folgen
den Schema beschrieben:
R1, R2 unabhängig: H, Rest einer Aminosäure, wie Alkyl, A
ryl, Aralkyl, Heteroaryl, vorausgesetzt, dass R1, R2 nicht
beide H sind,
R', R" unabhängig: Polymer, OH, Vernetzer, NHR1, NH2
R', R" unabhängig: Polymer, OH, Vernetzer, NHR1, NH2
In N-β-Fmoc-L-Leucin (4 g, 11,3 mmol), in trockenem Diethy
lether. Tetrahydrofuran (1 : 1), wurden Methyl-
Chlorameisensäureester (0,87 ml, 1 Äquiv.) und Triethylamin
(1,58 ml, 1 Äquiv.) gegeben, und das Reaktionsgemisch wurde
zwei Stunden lang bei -10°C gerührt. Anschließend wurde das
präzipitierte Triethylamin-Hydrochlorid durch Filtration
getrennt, und in die restliche Lösung wurde unter starkem
Rühren frisch zubereitetes etherisches Diazomethan gegeben,
bis eine hellgelbe Farbe beständig vorhanden war. Über
Nacht fand ein Rührvorgang bei Raumtemperatur statt, und
verbleibende Diazomethanüberschüsse wurden dadurch ent
fernt, dass ein sanfter Stickstoffstrom durch die Lösung
perlen gelassen wurde. Anschließend fand unter reduziertem
Druck eine Konzentration statt, um ein viskoses, gelbes Öl
zu erzeugen, das in Dioxan (50 ml) aufgelöst und tropfen
weise in eine wässrige Lösung aus Natriumcarbonat (1
Äquiv.), Natriumthiosulfat (1 Äquiv.) und einer katalyti
schen Menge von Silber-Trifluoracetat gegeben wurde, was
acht Stunden lang zwischen 80 und 85°C gehalten wurde. Das
Dioxan wurde dann unter reduziertem Druck entfernt, das
Produkt wurde in Ethylacetat extrahiert, separiert, über
Magnesiumsulfat getrocknet und in vacuo konzentriert. Es
wurde durch Chromatographie auf Silika gereinigt (5% Bela
dung), mit Hexan : Ethylacetat (3 : 2) als Elutionsmittel,
und anschließend von Hexan/Ethylacetat rekristallisiert, so
dass ein weißes kristallines Feststoffprodukt mit einer Ge
samtausbeute von 25% entstand.
Es wurde eine Festphasensynthese eines Oligopeptids unter
Verwendung eines automatisierten Peptidsynthesizers durchgeführt.
Die Synthese erfolgte mit Fmoc-Schutzchemie ein,
und das aktivierte Carboxyl jeder nachfolgenden Aminosäure
wurde an die entschützte Aminogruppe der vorherigen gebun
den, beginnend mit dem gewünschten ersten Rest, der bereits
an das Wang-Harz gebunden war. Die Fmoc-Schutzaufhebung
wurde mit einer 20%igen Piperidin-/DMF-Lösung erreicht, die
Aktivierung fand mit einer 5%igen NNM/DMF-Lösung statt, und
ein vierfacher Überschuss jeder Aminosäure und PyBOP wurde
in jedem Kopplungsschritt verwendet. Das Peptid kann von
dem Harz mit einem Gemisch aus TFA/TES/H2O/DCM gespalten
werden.
In eine Suspension von Wang-Harz mit bekanntem Gewicht und
bekannter Beladung (gewöhnlich zwischen 0,5 und 1 g und 0,2
bis 1 mmol OH/g), in trockenem DMF (5 cm3), wurde die ge
wünschte Fmoc-geschützte Aminosäure (4 Äguiv.) gegeben, und
das Gemisch wurde 15 Minuten lang bei Raumtemperatur unter
Stickstoff gerührt. Pyridin (4 Äquiv.) und 2,6-
Dichlorbenzoylchlorid (4 Äquiv.) wurden zugegeben, und die
Suspension wurde bei Raumtemperatur 24 Stunden lang ge
rührt.
Anschließend wurde sie filtriert und mit DMF (25 cm3), DCM
(25 cm3) und Methanol (25 cm3) gewaschen; die prozentuale
Beladung wurde gemäß dem nachstehend beschriebenen Verfah
ren geprüft und lag zwischen 70 und 90%. Die restlichen OH-
Gruppen des Harzes wurden mit Benzoylchlorid in Pyridin 2
Stunden lang benzoyliert. Anschließend fanden eine Filtra
tion und eine Wäsche mit der gleichen Kombination und Menge
der obigen Lösungen statt, und das beladene Harz wurde ge
trocknet und erneut hinsichtlich der prozentualen Beladung
geprüft.
Verfahren zur Schätzung der ersten Restbindung (Novablo
chem).
Trockenes Fmoc-Aminosäureharz (2 mg) wurde in zwei abgegli
chene 10 mm Silika-UV-Zellen gegeben, in die 20% Piperidin
in DMF (3 cm3) gegeben wurde. Die einzelnen Zellen wurden
der Reihe nach 5 Minuten lang geschüttelt und anschließend
in ein Spektrometer gesetzt, in dem ihre Absorbanz bei 290 nm
im Vergleich zu einer dritten abgeglichen Referenzzelle
gemessen wurde, die 20% Piperidin in DMF (3 cm3) enthielt.
Anhand des Durchschnitts der beiden erhaltenen Werte wurde
die prozentuale Beladung des im Novablochem-Katalog ge
druckten Diagramms berechnet.
Der Grad erfolgreicher Kopplung nachfolgender Bindung kann
auf ähnliche Weise während der Schutzaufhebungsschritte
überwacht werden.
Das Verfahren für die β-Leucin-Epoxidationen war wie folgt:
Zweiphasisches System - der Katalysator 20-β-L-Leu-Harz
(100 mg 0,18 mmol/g) wurde in trockenem Toluol in Anwesen
heit von DBU (56 µl) 16 Stunden lang gerührt. Am nächsten
Tag wurden trans-Chalkon (50 mg) und UHP (28 mg) in trocke
nes THF (1 ml) gegeben.
Dreiphasisches System - der Katalysator 19-β-L-Leu-α-L-Leu-
Harz (100 mg, 0,18 mmol/g) wurde in trockenem Toluol (0,5 ml)
in Anwesenheit von wässrigem NaOH (4 M 0,5 ml) 60 Stun
den lang gerührt. Dazu wurden trans-Chalkon (50 mg) und 30%
wässrige Wasserstoffperoxidlösung (0,7 ml) und Toluol (0,5 ml)
gegeben.
Claims (10)
1. Verwendung von homochiralen Poly-β-Aminosäuren als Ka
talysatoren für enantioselektive Reaktionen.
2. Verwendung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Reaktion die Epoxidation von C=C-Doppelbindungen
ist.
3. Verwendung nach Anspruch 1 und/oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
Poly-β-Aminosäuren aus Anspruch 5 verwendet werden.
4. Verwendung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein zweiphasisches oder dreiphasisches Epoxidations
verfahren angewendet wird.
5. Unterstützte oder vernetzte homochirale Poly-β-
Aminosäuren, insbesondere homochirale Homo-Poly-β-
Aminosäuren.
6. Poly-β-Aminosäuren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Träger an die Poly-β-Aminosäuren durch eine kova
lente Bindung oder durch Adsorption fixiert wird.
7. Poly-β-Aminosäuren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Träger im Hinblick auf Adsorption ausgewählt ist
aus der Gruppe bestehend aus SiO2-haltigen Verbindun
gen, Nitratcellulose, Cellulose oder Carbon-Black.
8. Poly-β-Aminosäuren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Träger im Hinblick auf kovalente Bindung ausge
wählt ist aus der Gruppe bestehend aus Harzen, Polysiloxanen,
Polyether (d. h. Polyethylenglykole, Polypro
pylenglykole), Polystyrolen, Polyacrylaten und einem
Gemisch dieser Polymere.
9. Poly-β-Aminosäuren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Vernetzung durch polyfunktionalisierte Amine er
reicht wird.
10. Verfahren zur Herstellung von Poly-β-Aminosäuren nach
Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
sie durch Festphasenmethodik hergestellt werden.
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