DE10210854A1

DE10210854A1 - Process for the enzyme catalyzed esterification of carboxylic acids in an organic solvent comprises irrversible removal of the water of esterification with an ester of a dicarbonic acid (pyrocarbonic acid)

Info

Publication number: DE10210854A1
Application number: DE2002110854
Authority: DE
Inventors: G E Prof Dr Jeromin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-03-12
Filing date: 2002-03-12
Publication date: 2003-09-25

Abstract

A process for the enzyme catalyzed esterification of carboxylic acids in an organic solvent comprises irrversible removal of the water of esterification with an ester of a dicarbonic acid (pyrocarbonic acid).

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur irreversiblen Veresterung von Carbonsäuren in organischem Lösungsmittel mit Hilfe von Enzymen und in Gegenwart eines Pyrokohlensäureesters (Dikohlensäurediester), wie beispielsweise Dimethyldicarbonat (Pyrokohlensäuredimethylester) oder Diethyldicarbonat (Pyrokohlensäurediethylester). Enzyme werden in jüngster Zeit immer stärker für organische Synthesen eingesetzt. Insbesondere, wenn es darum geht, chirale Verbindungen herzustellen, ist es bereits Stand der Wissenschaft, eine Enzymreaktion mit in die Syntheseplanung einzubeziehen. Insbesondere sind es die Herstellung von chiralen Alkoholen die durch enzymkatalysierte hydrolytische Reaktionen der Ester erhalten werden oder auch durch direkte Veresterung meist Umesterung in organischem Lösungsmittel. Das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt nun einen direkten Weg, um Carbonsäuren auch chirale, in einem organischem Lösungsmittel mit hohen Raumzeitausbeuten bei niedrigen Reaktionstemperaturen mit Hilfe eines Enzyms herzustellen. Die erfindungsgemäße Reaktion ist insbesondere nützlich, wenn es darum geht empfindliche Carbonsäuren zu verestern, oder darum chirale Carbonsäuren und deren Ester herzustellen. Carbonsäuren, die beispielsweise für die Arzneimittelherstellung oder für die Herstellung von Pflanzenschutzmitteln verwendet werden wie Naproxen oder 2-(p-Chlorphenoxy)propionsäure. The invention relates to a new process for irreversible esterification of carboxylic acids in organic solvents with the help of enzymes and in the presence of a pyrocarbonic acid ester (dicarbonic acid diester), such as dimethyl dicarbonate (dimethyl pyrocarbonate) or diethyl dicarbonate (pyrocarbonic acid diethyl ester). Enzymes are in recently used increasingly for organic syntheses. Especially when it comes to making chiral connections, it is already state of the art to include an enzyme reaction in the Include synthesis planning. In particular, it is the manufacture of chiral alcohols by the enzyme-catalyzed hydrolytic Reactions of the esters can be obtained or by direct Esterification mostly transesterification in organic solvent. The The method according to the invention now describes a direct way to Carboxylic acids also chiral, in an organic solvent high space-time yields at low reaction temperatures To produce an enzyme. The reaction of the invention is especially useful when it comes to sensitive carboxylic acids to esterify, or chiral carboxylic acids and their esters manufacture. Carboxylic acids, for example for the Manufacture of pharmaceuticals or for the production of plant protection products are used like naproxen or 2- (p-chlorophenoxy) propionic acid.

Die Veresterung von Carbonsäuren mit einem Alkohol in einem organischem Lösungsmittel ist eine Gleichgewichtsreaktion. Das bedeutet, daß die Reaktionen nur zu einem gewissen Teil ablaufen, und damit die Ausbeuten moderat sind. Dies ist auch bei enzymkatalysierten Reaktionen der Fall und in der Literatur sind die folgenden Maßnahmen beschrieben, um das Reaktionsgleichgewicht möglichst nach rechts in Richtung der Ester zu verschieben: Addition von Salzen oder Molekularsieben um das Wasser zu binden, Abdestillieren des Wassers z. T. im Vakuum und Binden des Wasser mit chemischen Methoden wie Zugabe von Orthoestern (IT ME99A000005). Die Nachteile der genannten Methoden sind: Bei Zugabe von wasserbindenden Mitteln, kan man das Enzym nicht oder nur schlecht wiederverwenden, weil es mit dem Salz oder Molekularsieb kontaminiert ist. Für eine größere Produktion ist so ein Verfahren somit ungeeignet. Auch das Abdestillieren des Reakionswassers bereitet Probleme, da hier im Vakuum gearbeitet werden muss, was energieaufwendig ist, und weil ein Teil des Produktes (der Ester) sowie das Lösungsmittel mitverdampft. Der Einsatz von Orthoestern, um das entstandene Wasser chemisch zu binden scheint ein geeigneter zu sein, jedoch entstehen bei der Reaktion unerwünschte Nebenprodukte, nämlich die Ester aus den Orthoesters, die insbesondere bei sehr großen Ansätzen zu Abfallproblemen führen können. Außerdem kann es zu einer Konkurrenzreaktion kommen zwischen dem entstandenen Ester und Enzym, so dass die Reaktionsrate insgesamt abnimmt. The esterification of carboxylic acids with an alcohol in one organic solvent is an equilibrium reaction. The means that the reactions take place only to a certain extent, and so that the yields are moderate. This is also the case with enzyme-catalyzed Reactions the case and in the literature are the following measures described to the right in the reaction equilibrium Shift towards the esters: addition of salts or Molecular sieves to bind the water, distilling off the water z. T. in vacuum and binding the water with chemical methods such as Addition of orthoesters (IT ME99A000005). The disadvantages of The methods mentioned are: when adding water-binding agents, the enzyme cannot be reused or can only be reused because it is is contaminated with the salt or molecular sieve. For a bigger one Such a process is therefore unsuitable for production. That too Distilling the reaction water causes problems, because here in the Vacuum must be worked, which is energy-intensive and because of a Part of the product (the ester) and the solvent co-evaporated. The use of orthoesters to chemically treat the resulting water tying seems to be a more appropriate one, but the reaction creates unwanted by-products, namely the esters from the orthoesters, which lead to waste problems, especially with very large batches can. There can also be a competitive reaction between the resulting ester and enzyme so that the Overall response rate decreases.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass sich die Ester der Pyrokohlensäure oder auch Dikohlensäure genannt (RO-CO-O-CO-OR) hervorragend eignen, das Wasser, das bei der Veresterung von Carbonsäuren in einem organischen Lösungsmittel mit einem Alkohol und einem Enzym entsteht, zubinden. Als Nebenprodukte entstehen nur Kohlendioxid (CO₂) und 2 Mol Alkohol. Der Befund, wie ihn das erfindungsgemäße Verfahren aufzeigt, ist um so überraschender, als Dikohlensäurediester als Enzyminhibitoren beschrieben werden. Es war also nicht unbedingt zu erwarten und nicht vorhersehbar, daß sich die Carbonsäure in Gegenwart des Pyrocarbonates enzymatische verestern läßt. So wird das Diethylpyrocarbonat (Diethyldicarbonat, Pyrokohlensäurediethylester) O(COOC₂H₅)₂ in Enzymol. 47, 431 (1977) als Enzyminhibitor beschrieben. Als wasserbindende Pyrokohlensäurester setzt man vorzugsweise die Ester ein, bei denen diejenigen Alkohole freiwerden, mit denen man auch die Carbonsäure verestern möchte. Dabei ist es nicht notwendig, den Alkohol zu Beginn der Reaktion schon in stöchiometrischen Mengen zuzugeben, da ja während der Reaktion aus 1 Molekül Dicarbonsäurester 2 Moleküle Alkohole frei werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist breit anwendbar. Man kann einfache Carbonsäuren damit verestern, als auch chirale Carbonsäuren, wenn man optisch aktive Verbindungen herstellen will. Ebenfalls kann man unter hohen Substratkonzentrationen arbeiten, wenn man das Dicarbonat sukzessive über einen gewissen Zeitraum langsam zudosiert. Da einige Dicarbonate in großen Mengen verfügbar sind, weil sie beispielsweise im Lebensmittelbereich eingesetzt werden, wie beispielsweise Dimethyldicarbonat, eignet sich das Verfahren auch für den industriellen Einsatz. Surprisingly, it has now been found that the esters of pyrocarbonate or also called dicarbonate (RO-CO-O-CO-OR) are outstandingly suitable, the water which is formed in the esterification of carboxylic acids in an organic solvent with an alcohol and an enzyme, tie. The only by-products are carbon dioxide (CO ₂ ) and 2 moles of alcohol. The finding, as shown by the method according to the invention, is all the more surprising since dicarbonic acid diesters are described as enzyme inhibitors. It was therefore not absolutely to be expected and not foreseeable that the carboxylic acid could be esterified enzymatically in the presence of the pyrocarbonate. So the diethyl pyrocarbonate (diethyl dicarbonate, pyrocarbonate diethyl ester ₎ becomes O (COOC ₂ H ₅ ) ₂ in Enzymol. 47, 431 (1977) as an enzyme inhibitor. The water-binding pyrocarbonate esters used are preferably the esters in which those alcohols are liberated which are also used to esterify the carboxylic acid. It is not necessary to add the alcohol in stoichiometric amounts at the start of the reaction, since 2 molecules of alcohol are released from 1 molecule of dicarboxylic acid ester during the reaction. The method according to the invention is widely applicable. It can be used to esterify simple carboxylic acids as well as chiral carboxylic acids if you want to produce optically active compounds. It is also possible to work under high substrate concentrations if the dicarbonate is gradually added over a period of time. Since some dicarbonates are available in large quantities, for example because they are used in the food sector, such as dimethyl dicarbonate, the process is also suitable for industrial use.

example 1

14 g (0.1 mol) Phenylessigsäure werden in 50 ml Toluol gelöst. Dann gibt man 1 g Ethanol hinzu gefolgt von 300 mg Lipase (Chirazym L-2). Anschließend werden 16.2 g (0.1 mol) Diethyldicarbonat über einen Zeitraum von ca. 10 h zudosiert. Während des Zudosierens entwickelt sich lebhaft Kohlendioxid. Nach 20 h wurde die gesamte Säure laut DC zu über 90% verestert. Das Enzym wurde abfiltriert, die Toluollösung mit NaHCO3-Lösung ausgeschüttelt, und die Toluollösung nach dem Abtrennen und Trocknen über Natriumsulfat eingeengt. Ausbeute 80% Phenylessigsäurethylester. 14 g (0.1 mol) of phenylacetic acid are dissolved in 50 ml of toluene. Then there 1 g of ethanol is added followed by 300 mg of lipase (Chirazyme L-2). Then 16.2 g (0.1 mol) of diethyl dicarbonate are poured over a Period of about 10 h added. Developed during dosing lively carbon dioxide. After 20 h all of the acid was by TLC esterified to over 90%. The enzyme was filtered off, the toluene solution with NaHCO3 solution shaken out, and the toluene solution after Separate and dry concentrated over sodium sulfate. Yield 80% Phenylessigsäurethylester.

Example 2

14 g Phenylessigsäure werden in einer Mischung aus 35 ml Hexan und 40 ml Toluol gelöst. Dann wurden 4.5 g Methanol zugegeben, gefolgt von 200 mg Lipase (Chirazym L-2). Nach ca. 1 h wurde langsam Dimethyldicarbonat zudosiert, wobei sich CO2 entwickelte. Nach ca. 12 h war die Säure zu über 90% verestert. 14 g of phenylacetic acid are in a mixture of 35 ml of hexane and 40 ml of toluene dissolved. Then 4.5 g of methanol was added, followed by 200 mg lipase (Chirazyme L-2). After approx. 1 h, it became slow Dimethyl dicarbonate metered in, whereby CO2 developed. After about 12 hours the acid was esterified to over 90%.

Example 3

4 g 2-Phenylbuttersäure werden in 60 ml MTBE gelöst, 1 g Methanol zugegeben und 500 mg Enzym (Chirazym L-2). Dann tropft man 7 g Dimethyldicarbonat gelöst in 20 ml MTBE innerhalb 4 Stunden hinzu. Es wurde 12 d gerührt. Ausbeuten: 3.5 Phenylbuttersäure und 0.5 g Ester mit einem Drehwert von [α]_D = -38° 4 g of 2-phenylbutyric acid are dissolved in 60 ml of MTBE, 1 g of methanol is added and 500 mg of enzyme (Chirazym L-2). Then 7 g of dimethyl dicarbonate dissolved in 20 ml of MTBE are added dropwise within 4 hours. The mixture was stirred for 12 d. Yields: 3.5 phenylbutyric acid and 0.5 g ester with a rotation value of [α] _D = -38 °

Example 4

Zu 3 g 2-Phenylpropionsäure gelöst in 35 ml Hexan werden 200 mg Enzyme (Chirazym L-2) hinzugegeben und anschließend 1.5 g Diemethyldicarbonat hinzugetropft. Nach 22 h wurden erhalten: 1.9 g Ester mit einem Drehwert von [α]_D = -22.5° und 1.3 g Säure mit einem Drehwert von [α]_D = +26.7° 200 mg of enzymes (Chirazym L-2) are added to 3 g of 2-phenylpropionic acid dissolved in 35 ml of hexane, and 1.5 g of dimethyldicarbonate are then added dropwise. After 22 h were obtained: 1.9 g of ester with a rotation of [α] _D = -22.5 ° and 1.3 g of acid with a rotation of [α] _D = + 26.7 °

Example 5

3.4 g 2-Phenoxypropionsäure werden in 60 ml Toluol gelöst. Anschließend wurden 1 g Methanol zuugegeben, 700 mg Lipase (Candida rugosa) und das Ganze eine Stunde gerührt. Danach wurden 4 ml Dimethyldicarbonat über einen Zeitraum von 5 Stunden zudosiert. Nach 22 Stunden hatten sich ca. 50% der Säure zum Ester umgesetzt. 3.4 g of 2-phenoxypropionic acid are dissolved in 60 ml of toluene. Then 1 g of methanol was added, 700 mg of lipase (Candida rugosa) and stirred for an hour. Then 4 ml Dimethyl dicarbonate metered in over a period of 5 hours. After 22 hours, about 50% of the acid had converted to the ester.

Comparative Example 1

6.8 g Phenylessigsäure werden in 20 g Toluol gelöst, 0.5 g Methanol und 5 ml Dimethylcicarbonat hinzugegeben und das Ganze 18 Stunden ohne Enzym gerührt. Es entwickelt sich kaum CO₂ und es haben sich nur sehr geringe Mengen Ester gebildet. 6.8 g of phenylacetic acid are dissolved in 20 g of toluene, 0.5 g of methanol and 5 ml of dimethyl cicarbonate are added and the whole is stirred for 18 hours without enzyme. Hardly any CO ₂ develops and only very small amounts of esters have formed.

Comparative Example 2

Gleicher Ansatz wie in Vergleichsbeispiel 1 nur ohne Zugabe von Methanol. Es fand auch nach 5 h Stunden noch keine Esterbildung oder CO₂-Entwicklung statt. The same approach as in Comparative Example 1 only without the addition of methanol. No ester formation or CO ₂ evolution took place even after 5 hours.

Claims

1. A process for the enzyme-catalyzed esterification of carboxylic acids in an organic solvent, characterized in that the water formed during the esterification is irreversibly removed with an ester of dicarbonic acid (pyrocarbonic acid).

2. The method according to claim 1, characterized in that the dicarbonic acid ester is dimethyl dicarbonate.

3. The method according to claim 1, characterized in that the dicarbonic acid ester is diethyl dicarbonate.