DE19506728A1

DE19506728A1 - Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton

Info

Publication number: DE19506728A1
Application number: DE1995106728
Authority: DE
Inventors: Franz Prof Dr Effenberger; Joachim Eichhorn; Juergen Roos
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1995-02-27
Filing date: 1995-02-27
Publication date: 1996-08-29

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton.

(R)-(-)Pantolacton ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei der Synthese von (R)-(+)Pantothensäure oder deren Derivaten. (R)-(-)Pantolacton kann aus der racemischen Verbindung durch aufwendige Racematspaltungsverfahren in Form von Pantoinsäuresalzen mit chiralen Hilfsbasen und anschließender Spaltung der diastereomeren Salzpaare und Cyclisierung der Pantoinsäure zum Pantolacton erhalten werden (US-PS 3,884,966; DE 24 04 305; DE 25 58 508; US-PS 4,095,952). Das unerwünschte (S)-(+)Pantolacton muß, um einen wirtschaftlichen Prozeß zu erhalten, racemisiert werden und als (R,S)-Pantolacton erneut zur Racematspaltung eingesetzt werden.

In anderen Verfahren (Tetrahedron Lett. (50), 4431-2, 1977; JP 53-105421 (1978); EP 218 970; EP 320 096) wird durch enantioselektive katalytische Hydrierung, ausgehend vom Ketopantolacton, direkt das erwünschte (R)-(-)Pantolacton erhalten. Ketopantolacton ist aber schwer zugänglich bzw. wird in einer weiteren Reaktionsstufe aus (RS)-Pantolacton durch Oxidation hergestellt, so daß hier eine aufwendige Verfahrensweise vorliegt.

Aus JP 2-100692 (1990), JP 61-293386 (1986), JP 59-98695 (1984) und Angew. Chemie 100, 1988, 640 sind mikrobielle Verfahren bekannt, bei denen mit lebenden Bakterien- oder Pilzzellen eine enantioselektive Reduktion von Ketopantolacton erreicht wird. Auch hier muß das Ketopantolacton, wie oben beschrieben, durch Oxidation hergestellt werden.

Aus CA Vol. 111, 1989: 132610u ist ein Verfahren zur Herstellung des racemischen Pantolactons bekannt, bei dem das racemische 2,4-Dihydroxy-3,3-dimethylbutansäurenitril über drei Stufen enzymatisch umgesetzt wird. Das racemische Pantolacton muß, wie eingangs beschrieben, vor der Umsetzung zur Pantothensäure in die einzelnen Enantiomere aufgetrennt werden.

W. Becker und E. Pfeil beschreiben in Biochemische Zeitschrift 346, 301-321 (1966) verschiedene Reaktionen der (R)-Oxynitrilase, wobei u. a. kinetische Studien durchgeführt wurden. Das Enzym bildet aus einer Vielzahl von Aldehyden rechtsdrehende, linksdrehende oder racemische α-Hydroxynitrile, wobei im Normalfall auf 10 mmol Aldehyd 1 mmol Enzym eingesetzt wird. Bei zunächst nicht umgesetzten Aldehyden kann die Enzymmenge auf 5 mg erhöht werden.

Aus der DE-OS 38 23 866 ist ein Verfahren zur Herstellung von S-Cyanhydrinen durch Umsetzung der entsprechenden Oxoverbindungen und Blausäure mit Hilfe von Oxynitrilase (4.1.2.11) aus Sorghum bicolor bekannt. Mit Hilfe dieser Oxynitrilase lassen sich die entsprechenden optischen Antipoden zur Umsetzung mit Oxynitrilase 4.1.2.10 darstellen.

Schließlich ist aus der EP-A 0 528 256 ein Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton bekannt, bei dem Hydroxypivalaldehyd mit Cyanwasserstoff in einem wäßrigen Medium in Gegenwart einer stark erhöhten (R)-Oxynitrilasekonzentration umgesetzt wird, das resultierende (R)-2,4-Dihydroxy-3,3- dimethylbutansäurenitril (Cyanhydrin) aus der wäßrigen Lösung mit einem organischen Lösungsmittel extrahiert und weiter isoliert wird und das erhaltene Cyanhydrin unter gleichzeitiger Zyklisierung zum (R)-Pantolacton verseift wird. Bei dem bekannten Verfahren gelingt die Herstellung des (R)-Pantolactons zwar in hoher Ausbeute, der Enantiomerenüberschuß sowohl des als Zwischenprodukt auftretenden Cyanhydrins als auch des Endprodukts ist jedoch noch nicht befriedigend.

Angesichts des hierin dargelegten und diskutierten Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiteres Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton bereitzustellen, das dessen Gewinnung sowohl in hoher Ausbeute als auch hoher optischen Reinheit gestattet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton durch Umsetzung von β-substituierten Pivalaldehyden der allgemeinen Formel I

worin
X für Hal, OR,

steht, wobei
R C₁-C₄-Alkyl, -Alkenyl oder -Alkinyl, Aryl oder Aralkyl bedeutet und die Alkylreste jeweils verzweigt oder linear sein können,
mit Cyanwasserstoff in einem wäßrigen Medium oder in einem zumindest Spuren von Wasser aufweisenden organischen Lösungsmittel in Gegenwart von die Addition des Cyanwasserstoffs an den β-substituierten Pivalaldehyd der Formel I katalysierenden Mengen (R)-Oxynitrilase [EC 4.1.2.10] zu
(R)-Cyanhydrinen der allgemeinen Formel II

worin X die bei Formel I angegebene Bedeutung besitzt,
und anschließende Verseifung des resultierenden Cyanhydrins im sauren Milieu unter Zyklisierung zum (R)-Pantolacton.

Dabei hat sich im Rahmen der Erfindung überraschenderweise herausgestellt, daß die zur Addition der Blausäure an den β-substituierten Pivalaldehyd als Katalysator verwendete (R)-Oxynitrilase [EC 4.1.2.10] auch andere Substrate akzeptiert als den gemäß dem Stand der Technik ausschließlich verwendeten Hydroxypivalaldehyd. Ferner ist es nicht ohne weiteres vorhersehbar gewesen, daß die (R)-Oxynitrilase diese anderen Substrate nicht nur akzeptiert, sondern daß es bei Umsetzung der erfindungsgemäßen Verbindungen der Formel I außerdem zu einer deutlichen Erhöhung der optischen Reinheit der als Zwischenprodukt der (R)-Pantolactonsynthese entstehenden Cyanhydrinverbindungen der allgemeinen Formel II kommt, und zwar bezogen auf (R)-2,4-Dihydroxy-3,3- dimethylbutansäurenitril als Referenzsubstanz (X in Formel II wäre OH).

Unter sonst vergleichbaren Reaktionsbedingungen zeigen die aus den halogenierten oder O-geschützten Aldehyden der allgemeinen Formel I erhältlichen (R)-Cyanhydrine einen Enantiomerenüberschuß von bis zu 96%, während der freie Hydroxypivalaldehyd optische Ausbeuten von nur 60-61% ergibt.

Zwar ist unter bestimmten Bedingungen bei Einsatz des Hydroxypivalaldehyds (z. B. gemäß der EP-A 0 528 256) das entsprechende Blausäureadditionsprodukt auch in optischen Reinheiten (R : S) von bis zu 90 : 10 möglich, unter jeweils identischen Bedingungen jedoch (betreffend vor allem Reinheit der eingesetzten Oxynitrilase, Konzentration der Reaktionspartner, Temperatur der Umsetzung, Lösungsmittel und Reaktionszeiten) wird die Enantiomerenausbeute, welche bei Verwendung des Hydroxypivalaldehyds resultiert, klar durch die Enantiomerenausbeute übertroffen, welche sich bei Verwendung β-halogenierter oder β-O-geschützter Pivalaldehyde ergibt.

Es ist zwar bekannt, daß Hydroxypivalaldehyd bei Raumtemperatur als kristallines Dimer existiert (King et al., J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 1290-1292 und Nerdel et al., Chem. Ber. 1968, 101, 1850-1862), welches durch Erhitzen in das Monomer überführt werden kann, so daß die enzymkatalysierte HCN-Anlagerung nur mit frisch destilliertem oder geschmolzenem Hydroxypivalaldehyd verläuft, der Schutz oder die Substitution der OH-Funktion kann aber nicht die ausschließlich ausschlaggebende Ursache für die höhere optische Reinheit der erfindungsgemäßen Zwischenprodukte der Formel II sein.

Vielmehr ist der in der Erfindung vorliegende Substrateinfluß auf das Enzym relativ unerwartet.

Einerseits liefern die O-geschützten Pivalaldehyde durchgängig bessere Enantiomerenausbeuten als der freie Hydroxypivalaldehyd, andererseits sind aber die Unterschiede innerhalb der "geschützten" Verbindungen relativ groß. So liefert die Acetylverbindung, die ja nicht dimerisieren kann und daher als Monomer vorliegen muß, wesentlich schlechtere Enantiomerenausbeuten als z. B. die Methoxyverbindung.

Die sich beim erfindungsgemäßen Verfahren an die Stufe der Darstellung der (R)-Cyanhydrine der allgemeinen Formel II anschließende Verseifung dieser Verbindungen hat in der Regel die Gewinnung des (R)-Pantolactons zum Ziel.

Die Verseifung von (R)-2,4-Dihydroxy-3,3- dimethylbutansäurenitril führt bekanntermaßen über die Zwischenstufe des entsprechenden Amids. Ebenso wie beim aus der EP-A 0 528 256 bekannten Verfahren ist auch beim vorliegenden Verfahren die saure Hydrolyse bevorzugt, da unter alkalischen Bedingungen die Gefahr der Zersetzung des Nitrils besteht.

Dabei ist es als äußerst überraschend zu bezeichnen, daß bei Verwendung von Mineralsäuren, wie Schwefelsäure oder bevorzugt Salzsäure, eine direkte Zyklisierung der Cyanhydrine der allgemeinen Formel II, bevorzugt ohne vorherige Isolierung und Reinigung dieser Verbindungen, erreicht werden kann. Wenn auch die Zyklisierung von γ-Hydroxycarbonsäuren zu Lactonen im sauren Milieu bekannt ist, so ist die Zyklisierung von O-geschützten Derivaten oder γ-Halogencarbonsäuren zu Lactonen doch einigermaßen unerwartet, da hier zuerst eine Spaltung in die Hydroxyform oder besondere Übergangszustände erwartet werden müßten.

Außerdem werden γ-Halogencarbonsäuren üblicherweise eher aus Lactonen und Säuren (z. B. HCl) hergestellt und nicht umgekehrt.

Gemäß der Erfindung sind grundsätzlich eine Vielzahl von β-Halogen-Substitution tragenden Pivalaldehyden als auch alle O-geschützten Hydroxypivalaldehydderivate erfolgreich ein- und umsetzbar. Aufgrund ihrer besonders hohen Enantiomerenausbeute werden jedoch mit besonderem Vorteil Verbindungen der Formel I umgesetzt, worin X für Halogen oder OR steht, wobei R = C₁-C₄-Alkyl oder -Alkenyl ist. Ganz besonders gute Ergebnisse werden mit Verbindungen der Formel I erzielt, worin X = Cl, Br oder OR ist, wobei R für CH₃, C₂H₅ oder CH₂-CH = CH₂ steht.

Die erfindungsgemäß als Zwischenprodukt bei der (R)-Pantolactonherstellung erhaltenen (R)-Cyanhydrine der allgemeinen Formel II sind, wie bereits ausgeführt, durch Umsetzung von β-substituierten Pivalaldehyden der allgemeinen Formel I mit Cyanwasserstoff in Gegenwart einer (R)-Oxynitrilase erhältlich.

Eine geeignete (R)-Oxynitrilase ist Oxynitrilase EC 4.1.2.10.

Die Umsetzung wird im allgemeinen in einem wäßrigen Medium oder in einem zumindestens Spuren von Wasser aufweisenden organischen Lösungsmittel durchgeführt. Im Rahmen der Erfindung ist es dabei besonders bevorzugt, daß man die Umsetzung der β-substituierten Pivalaldehyde der allgemeinen Formel I mit Cyanwasserstoff gemäß der letztgenannten Alternative, also in einem organischen Lösungsmittel, daß zumindest Spuren von Wasser aufweist, vornimmt.

Die hierfür als organisches Lösungsmittel in Frage kommenden Stoffe sind dem Fachmann auf dem Gebiet der Enzymtechnologie grundsätzlich bekannt. Zu mit Vorteil einsetzbaren organischen Lösungsmitteln gehören u. a. THF, Diisopropylether, Methyl-t-butylether, Ethylacetat.

Besonders bevorzugt kennzeichnet sich das Verfahren gemäß der Erfindung dadurch, daß man als Lösungsmittel einen Ether, vorteilhafterweise Diisopropylether, einsetzt. Aber auch die anderen o. g. Lösungsmittel führen zu guten Erfolgen.

Im Rahmen der Erfindung wird unter einem organischen Lösungsmittel, das zumindest Spuren von Wasser aufweist, verstanden, daß der Wassergehalt des organischen Lösungsmittels zumindest hoch genug ist, um die enzymatisch katalysierte Reaktion ablaufen zu lassen. Hierfür sind bezüglich der unterschiedlichen möglichen Lösungsmittel verschiedene unterschiedliche Mindestwassergehalte anzunehmen, die der Fachmann aufgrund routinemäßiger Untersuchungen ermitteln kann. Beispielhaft kann im Rahmen der Erfindung für das besonders vorteilhaft eingesetzte Lösungsmittel Diisopropylether festgestellt werden, daß dessen Wassergehalt zumindest bei 0,1% liegen muß, um den Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zu gefährden.

Die Konzentration der zur Herstellung der Pantolactone eingesetzten β-substituierten Pivalaldehyde der allgemeinen Formel I ist im allgemeinen nicht besonders kritisch. Die β-substituierten Pivalaldehyde werden üblicherweise in einer Konzentration von ca. 10 bis 300 mmol/l, vorzugsweise 20 bis 150 mmol/l und besonders bevorzugt von ca. 30 bis 50 mmol/l organisches Lösungsmittel eingesetzt. Dabei sind durchaus auch höhere Konzentrationen, z. B. im Bereich bis zu ca. 1 mol/l β-substituierter Pivalaldehyde umsetzbar, ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen, es hat sich jedoch gezeigt, daß mit steigender Konzentration der β-substituierten Pivalaldehyde der allgemeinen Formel I die chemische und optische Ausbeute der (R)-Cyanhydrine der allgemeinen Formel II sinkt. Dies macht sich besonders in Bereichen oberhalb von 0,4 bis 0,5 mol β-substituiertem Pivalaldehyd pro Liter organisches Lösungsmittel bemerkbar.

Der Cyanwasserstoff wird beim Verfahren gemäß der Erfindung in einer zum Hydroxypivalaldehyd vorzugsweise mindestens äquimolaren Menge eingesetzt. Üblicherweise wird mit einem Cyanwasserstoffüberschuß von bis zu 30 Äquivalenten gearbeitet. In einer besonderen Verfahrensvariante kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß man mit einem 2- bis 5-fachen molaren Überschuß, mit besonderem Vorteil mit einem 2- bis 3-fachen molaren Überschuß, HCN, bezogen auf den β-substituierten Aldehyd der allgemeinen Formel I, umsetzt. Wiederum hat der besonders vorteilhafte Bereich zwischen 2- und 5-fachem molaren Überschuß HCN bezogen auf den β-substituierten Pivalaldehyd den Vorteil des im allgemeinen höchsten Enantiomerenüberschusses.

Der Cyanwasserstoff kann dem Reaktionsansatz auf alle dem Fachmann geläufigen Arten und Weisen zu gefügt werden. Möglich sind seine Zugabe als Reinsubstanz oder in wäßriger Lösung oder aber auch in Form einer Pufferlösung.

Die (R)-Oxynitrilase läßt sich bei einem Verfahren gemäß der Erfindung über einen weiten Konzentrationsbereich vorteilhaft einsetzen. So kann man die HCN-Anlagerung bereits bei (R)-Oxynitrilase-Konzentrationen von ca. 100 U/mmol β-substituiertem Pivalaldehyd durchführen. Bereiche bis weit über 2000 U/mmol β-substituiertem Pivalaldehyd sind erfindungsgemäß möglich und je nach umzusetzendem Substrat auch bevorzugt. Um zu einem befriedigenden Ergebnis zu gelangen, kann die spezifische Aktivität der in den folgenden Mengen eingesetzten (R)-Oxynitrilase über einen weiten Bereich variieren. So kann man bereits mit spezifischen Aktivitäten, die bei ca. 30 U/mg liegen, Enantiomerenüberschüsse bei Verbindungen der Formel II erzielen, die bei 83% Enantiomerenüberschuß und darüber liegen, wobei die Ausbeute an (R)-Cyanhydrinen der allgemeinen Formel II auch schon bei 60% und mehr liegt. Mit zunehmender spezifischer Aktivität der eingesetzten (R)-Oxynitrilase verbessern sich jedoch sowohl die chemische als auch die optische Ausbeute an Verbindungen gemäß der allgemeinen Formel II. So haben sich als besonders brauchbar diejenigen (R)-Oxynitrilasen erwiesen, von denen ein mg ca. 100 Units oder mehr entspricht, wobei ein Unit des Enzyms 1,0 µmol Mandelsäurenitril zu Benzaldehyd und Cyanwasserstoff bei einem pH von 5,4 und 25°C pro Minute umsetzt.

Um also eine möglichst hohe chemische als auch optische Ausbeute zu erzielen, ist es im allgemeinen von besonderem Vorteil, ein möglichst reines Enzym einzusetzen. Allerdings gibt es in Abhängigkeit der verschiedenen β-substituierten Pivalaldehyde durchaus Grenzen, bei denen eine weitere Steigerung der spezifischen Aktivität genauso wenig zu einer erhöhten optischen oder chemischen Reinheit führt wie etwa eine Steigerung der absoluten Menge an eingesetztem Enzym.

Die (R)-Oxynitrilase kann im erfindungsgemäßen Verfahren mobil oder immobilisiert eingesetzt werden. In vorteilhafter Verfahrensvariante wird das Enzym auf einem Träger immobilisiert. Als Trägermaterialien sind alle dem Fachmann auf dem Gebiet der Enzymtechnologie geläufigen Trägermaterialien verwendbar. Hierzu gehören u. a. Cellulosepulver, Polystyrole, Polyacetale. Von diesen aufgezählten Materialien werden erfindungsgemäß ganz besonders vorteilhaft Cellulose oder Kieselgur eingesetzt. Wie bereits erwähnt, kann die Menge der erfindungsgemäß einzusetzenden (R)-Oxynitrilase über einen weiten Bereich variieren. Dabei ist neben dem Bereich einer relativ geringen Enzymkonzentration auch eine Anwendung stark erhöhter Enzymkonzentrationen von mindestens 20 mg/mol β- substituiertem Pivalaldehyd bevorzugt. Dies steht auch im Einklang mit den Ergebnissen, wie sie in der EP-A 0 528 256 berichtet werden. In besonders bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsform werden die β- substituierten Pivalaldehyde in Gegenwart von ca. 1800 bis 3000 Units (R)-Oxynitrilase je mmol β-substituiertem Pivalaldehyd umgesetzt, wobei die (R)-Oxynitrilase, welche verwendet wird, möglichst rein sein soll, d. h. eine bestimmte spezifische Aktivität nicht unterschreiten soll. In weiterhin bevorzugter Ausführungsform ist demnach das Verfahren der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung in Gegenwart einer hochgereinigten (R)-Oxynitrilase mit einer spezifischen Aktivität von zwischen 50 und 150 U/mg (R)-Oxynitrilase umgesetzt wird.

Die Cyanhydrinbildung wird gemäß der Erfindung vorzugsweise bei Temperaturen durchgeführt, bei denen die (R)-Oxynitrilase eine hohe Aktivität aufweist. Dies ist insbesondere der Temperaturbereich von 0 bis 50°C, vorteilhaft sind 20 bis 30°C. Der pH-Wert der Reaktionslösung kann über einen weiten Bereich differieren. Es ist jedoch bevorzugt, daß die Umsetzung der Verbindungen der Formel I mit Cyanwasserstoff in Gegenwart eines Puffers, der den pH-Wert im Bereich zwischen 2,8 und 8 hält, durchgeführt wird.

Hierzu kann dem Reaktionsansatz im allgemeinen eine wäßrige Pufferlösung, beispielsweise ein Zitronensäure- oder Acetatpuffer, zugesetzt werden. Die Konzentration des Puffers beträgt üblicherweise 0,01 bis 0,5 mol/l, vorzugsweise 0,03 bis 0,2 mol/l, wobei der pH-Wert der Pufferlösung durch Alkali- oder Erdalkalihydroxid oder durch Ammoniumverbindungen eingestellt werden kann. Weitere verwendbare Puffer sind u. a. Phosphat-, Borat-, Phthalatpuffer oder Gemische dieser Pufferlösungen mit Acetat- oder Zitronensäurepuffern.

Falls zur Durchführung der erfindungsgemäßen Reaktion ein immobilisiertes Enzym eingesetzt wird, ist es bevorzugt, daß die Trägermaterialien in einer wäßrigen Lösung eines Puffers, bevorzugt eines Natriumacetatpuffers auf einen bestimmten pH eingestellt werden. Das dann hiermit immobilisierte Enzym wird besonders erfolgreich zur Katalyse der Cyanhydrinbildung gemäß der Erfindung eingesetzt. Der pH-Wert der entweder direkt oder mittels des entsprechend behandelten Trägers (gepufferte Lösung) eingestellt wird, kann, wie bereits erwähnt, zwischen 2,8 und 8,0 liegen, bevorzugt sind saure Reaktionslösungen mit einem pH von 2,8 bis etwa 5,4, dem pH-Optimum der (R)-Oxynitrilase. Besonders bevorzugt wird der pH-Wert in einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zwischen 2,8 und 3,5 gehalten. Dabei ist dieser pH-Wert deutlich unterschiedlich vom pH-Optimum der (R)-Oxynitrilase, welches bei 5,4 liegt. Der besonders bevorzugte pH-Wertbereich zwischen 2,8 und 3,5 wird weiterhin vorteilhaft mit einem Acetatpuffer eingestellt.

Zur Isolierung und Reinigung der (R)-Cyanhydrine der allgemeinen Formel II wird die Reaktionslösung nach einer Reaktionszeit von üblicherweise 30 min bis zu 24 h mit einem mit Wasser nicht vollständig mischbaren organischen Lösungsmittel, z. B. Essigsäurester, Dialkylether, Ketonen wie Isobutylmethylketon (MiBK), oder Chlorkohlenwasserstoffen extrahiert. Zur Stabilisierung des Cyanhydrins wird dann zum organischen Extrakt eine kleine Menge an Salzsäure zugesetzt (ca. 10 bis 50 µmol/ml Cyanhydrin). Die organischen Extrakte werden vereinigt und im Vakuum eingeengt. Die Lösungsmittelreste können dabei durch Behandeln im Feinvakuum nahezu vollständig entfernt werden. Das so erhaltene Cyanhydrin kann nach Derivatisierung auf seine Enantiomeren-Zusammensetzung untersucht werden.

Überraschenderweise können die so gebildeten (R)-Cyanhydrine der allgemeinen Formel II unter weitgehendem Erhalt der Chiralität in hohen Enantiomerenüberschüssen zum (R)-Pantolaton verseift werden, wobei letzteres als Zwischenverbindung für das Vitamin Pantothensäure oder deren Derivate, z. B. Panthenol, dient. Hierzu wird der Cyanhydrinextrakt mit wenig Wasser aufgenommen und in konzentrierte Mineralsäure eingegossen. Die Verseifung erfolgt vorteilhaft in einem wäßrigen Medium und insbesondere in einem sauren Milieu. Unter alkalischen Bedingungen besteht die Gefahr der Zersetzung des Nitrils. Die Umsetzung der Cyanhydrine der allgemeinen Formel II zum (R)-Pantolacton wird vorteilhaft bei einer erhöhten Temperatur von ca. 50°C bis zur Siedehitze durchgeführt. Als Mineralsäure kommt beispielsweise Schwefelsäure oder konzentrierte Salzsäurelösung in Betracht. In besonders bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsform wird die Verseifung des Cyanhydrins in konzentrierter HCl unter Erhalt von (R)-Pantolacton durchgeführt. Nach einer Reaktionszeit von üblicherweise 1 bis 5 h kann die Lösung mit einem geeigneten organischen Lösungsmittel, das nicht vollständig mit Wasser mischbar sein soll, extrahiert werden. Hierfür können beispielsweise Essigsäureester, Dialkylether, aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, Ketone wie Isobutylmethylketon oder Halogenkohlenwasserstoffe verwendet werden. Die vereinigten organischen Phasen werden im Vakuum eingeengt, im Rückstand ist das optisch aktive (R)-Pantolacton als Rohprodukt. Dabei weist das rohe (R)-Pantolacton bereits einen hohen Enantiomerenüberschuß auf, der auf die ohne jegliche Racemisierung verlaufende säurekatalysierte Umsetzung der erfindungsgemäßen Cyanhydrine der allgemeinen Formel II zurückzuführen sein dürfte. Sowohl die chemische als auch die optische Reinheit können noch weiter gesteigert werden, beispielsweise durch Kristallisation des erhaltenen Rohprodukts aus Diethylether/Petroleumether-Gemisch, wobei in allen Fällen hohe optische Reinheiten herstellbar waren, selbst dann, wenn die als Ausgangssubstanz eingesetzten Cyanhydrine einen vergleichsweise niedrigen Enantiomerenüberschuß aufwiesen.

Sowohl das (R)-Pantolacton als Rohprodukt als auch das (R)-Pantolacton in seiner aufgereinigten Form kann mit β-Alanin zur (R)-Pantothensäure in wasserfreiem Lösungsmittel, z. B. Methanol, umgesetzt werden (JACS, 62 (1940) 1785). (R)-(+)Panthenol wird entsprechend mit zwei Aminoethanol dargestellt.

Mit der Erfindung wird also ein Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton bzw. Folgeprodukten zur Verfügung gestellt, welches die Herstellung des angestrebten Produkts in hoher Ausbeute sowie in höchster optischer Reinheit gestattet. Dabei können die als Zwischenprodukt auftretenden (R)-Cyanhydrine der allgemeinen Formel II entweder isoliert werden und dann erst verseift werden, es kann aber auch in besonders bevorzugter erfindungsgemäßer Ausführungsform die Verseifung ohne Zwischenisolierung der Cyanhydrine der allgemeinen Formel II durchgeführt werden. Wenn diese Produkte jedoch isoliert werden, so handelt es sich in einigen Fällen um neue Produkte, die besonders wertvoll für die Herstellung von (R)-Pantolacton sind. Im einzelnen gehören zu diesen neuen Produkten
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-brom-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-chlor-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-methoxy, (R) (-)-2-Hydroxy- 3,3-dimethyl-4-ethoxy, (R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4- acetyl.

Die Herstellung der als Ausgangsprodukt in der Erfindung eingesetzten β-substituierten Pivalaldehyde ist literaturbekannt. Wertvolle Hinweise zur Herstellung O-geschützter (O-substituierter) Pivalaldehyde erhält man beispielsweise in Eliel, E. L.; Clawson, L.; Knox, D. E., J. Org. Chem. (1985), 50, 2707-2711. Halogensubstituierte Pivalaldehyde sind z. B. durch Oxidation der entsprechenden Propanole gemäß Pennings, M. L. M.; Reinhoudt, D. N., J. Org. Chem. (1983), 48, 4043-4048 oder Hepburn, D. R., Hudson, H. R., J. Chem. Soc., Perkin Trans 1 (1976), 754-757 zugänglich.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weitergehend erläutert.

A) Herstellung der β-substituierten Pivalaldehyde der allgemeinen Formel I

Zur Herstellung der β-substituierten Pivalaldehyde 2, 3, 4 und 5 wurde 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol (Fluka) mit CH₃J, C₂H₅Br, CH₂=CH-CH₂-Br oder C₆H₅CH₂Br in den jeweiligen einfach geschützten entsprechenden Alkohol überführt und dieser durch Oxidation mit Pyridiniumchlorochromat in den O-geschützten Pivalaldehyd. Hierzu wurde gemäß Eliel, E. L.; Clawson, L.; Knox, D. E., J. Org. Chem. (1985), 50, 2707-2711 bei Raumtemperatur eine Lösung von 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol in THF unter Rühren während 1-1,5 h in eine Suspension aus NaH in THF eingetropft. Die resultierende Reaktionsmischung wurde für 1 h am Rückfluß gekocht. Dann ließ man die Mischung auf Raumtemperatur abkühlen und die jeweiligen Alkylhalide CH₃J, C₂H₅Br, CH₂=CH-CH₂-Br oder C₆H₅CH₂Br wurden während des Verlaufs von 1 h zugetropft. Die Reaktionsmischung wurde dann für weitere 16 h am Rückfluß gekocht (im Falle von C₆H₅CH₂Br) oder bei Raumtemperatur gerührt, gefolgt von einem weiteren Kochen am Rückfluß (die Zeiten sind in Tabelle 1 gegeben). Dann wurden 15-20 ml Wasser zugetropft, die wäßrige Phase wurde abgetrennt und dreimal mit ca. 60 ml Diethylether extrahiert. Die vereinigten organischen Phasen wurden getrocknet (MgSO₄), konzentriert und der entstandene Alkohol wurde im Vakuum fraktioniert. Die entsprechenden Daten sind in den Tabellen 1 und 1a zusammengefaßt.

Zur Herstellung der entsprechenden Pivalaldehyde 2 bis 5 wurde eine Lösung des entsprechenden Alkohols 2a bis 5a in absolutem Dichlormethan bei Raumtemperatur zu einer Suspension aus Pyridiniumchlorochromat und Natriumacetat in absolutem Dichlormethan zugefügt. Die Reaktionsmischung wurde über die in der Tabelle 2 angegebene Zeit gerührt. Anschließend wurde das in Tabelle 2 angegebene Volumen Diethylether hinzugefügt. Das Lösungsmittel wurde dekantiert, und der erhaltene Feststoff wurde viermal mit 100 ml Diethylether extrahiert. Die vereinigten Extrakte wurden durch eine Silikagelsäule (12 × 3 cm) filtriert, konzentriert, und der Rückstand wurde fraktioniert. Die Versuchsbedingungen und Ergebnisse sind in den Tabellen 2 und 2a zusammengefaßt.

Zur Herstellung der β-substituierten Pivalaldehyde 6 und 7 wurden 3-Chlor-2,2-dimethyl-1-propanol sowie 3-Brom-2,2- dimethyl-1-propanol (Fluka bzw. Aldrich) entsprechend den monogeschützten Alkoholen 2a bis 5a mit Pyrridiniumchlorochromat und ggf. Natriumactet (wie oben beschrieben) in absolutem Dichlormethan oxidiert. Die Ergebnisse dieser Umsetzung sind in Tabelle 3 wiedergegeben.

Zur Herstellung des β-substituierten Pivalaldehydes 8 (Acetoxypivalaldehyd) wurde eine Lösung von 3,0 g (29,4 mmol) frisch geschmolzenem β-Hydroxypivalaldehyd, 3,63 g (46,0 mmol) Pyrridin und 9,0 g (88,2 mmol) Acetanhydrid in 90 ml Dichlormethan bei 60°C 40 h lang gerührt. Die Reaktionsmischung wurde dann über eine Silikagelsäule (5 × 3 cm) filtriert, konzentriert und der Rückstand im Vakuum fraktioniert destilliert. Die Ausbeute betrug 2,2 g (52% der Theorie) an 3-Acetoxy-2,2-dimethyl propionaldehyd; der Siedepunkt des Produkts betrug 75°C bei 10 Torr. ¹H NMR (CDCl₃) δ = 1.12 (s, 6 H, CH₃), 2.05 (s, 3 H, CH₃CO₂), 4.12 (s, 2 H, CH₂), 9.52 (s, 1 H, CHO).

B) Enzymkatalysierte HCN-Anlagerung an die β-substituierten Pivalaldehyde 2 bis 8

Eine Lösung von (R)-Oxynitrilase (Mengen und spezifische Aktivitäten sind den nachfolgenden Tabellen 4 und 4a entnehmbar) wird auf ein Trägermaterial getropft (z. B. Avicel Cellulose, 1,5 g, getränkt mit 10 ml 0.02 M Natriumacetat-Lösung, pH 3,3). 4-5 ml Diisopropylether werden hinzugefügt, gefolgt von 100 µl des jeweiligen Aldehyds 2 bis 8 und anschließend ein zwei- bis dreifacher molarer Überschuß an HCN. Die Reaktionsmischung wird für die in den Tabellen angegebene Zeit bei der dort festgehaltenen Temperatur gerührt. Der Katalysator wird abfiltriert und mit Diethylether gewaschen. Die kombinierten Filtrate werden aufkonzentriert, um das entsprechende (R)-Cyanhydrin der allgemeinen Formel II zu ergeben.

Der Enantiomerenüberschuß wurde folgendermaßen bestimmt:
50 µl Acetanhydrid und 10 µl Pyridin werden zu einer Lösung von 10 µl des jeweiligen Cyanhydrins der allgemeinen Formel II in 250 µl Dichlormethan zugefügt. Die Reaktionsmischung wurde ca. 4 h bei 60°C aufbewahrt und dann über eine Silikagelsäule (3 × 0,5 cm) mit 3-4 ml Dichlormethan filtriert. Der Enantiomerenüberschuß der Verbindungen der allgemeinen Formel II wurde direkt aus dem Filtrat mittels Gaschromatographie unter Verwendung von Kapillarsäulen OV 1701 und PS 086 Phasen mit 10% permethyliertem β-Cyclodextrin bestimmt.

C) Überführung der Cyanhydrine der allgemeinen Formel II in (R)-Pantolacton

Eine Lösung von (R)-Cyanhydrin der allgemeinen Formel II wird in einem Überschuß konz. HCl 16 h bei Raumtemperatur gerührt und 5 h lang bei 115°C erhitzt. Der Überschuß von HCl wird im Vakuum entfernt, der Rückstand in Diethylether aufgenommen, getrocknet (Na₂SO₄), konzentriert und im Vakuum destilliert oder aus Diethylether/Petroleumethergemisch umkristallisiert, wobei (R)-Pantolacton erhalten wird. Das erhaltene Pantolacton hat einen Siedepunkt von 100°C bei 0,01 Torr, einen Schmelzpunkt von 90,5°C, = -49 (c 0.6, H₂O), (99% ee). ¹H NMR (CDCl₃) δ = 1.09 (s, 3 H, CH₃), 1.24 (s, 3 H, CH₃), 3.95, 4.04 (AB System, J=-8.9 Hz, 2 H, CH₂), 4.14 (s, 1 H, CH). ¹³C NMR (CDCl₃) δ = 18.8 und 22.9 (CH₃), 40.9 (C3), 75.5 (C2), 76.5 (C4), 177.9 (C1). Der Enantiomerenüberschuß wurde ohne Derivatisierung auf chiralen β-Cyclodextrin-Phasen (Chiraldex B-TA) mittels Kapillargaschromatographie bestimmt. Das (R)-Pantolacton wurde umsatzabhängig durch ¹H und ¹³C NMR-Analyse bestimmt. Des weiteren wurden Elementar-Analysen und Vergleichsmessungen der optischen Drehwerte in Abhängigkeit vom Umsatz durchgeführt.

In der nachfolgenden Tabelle 5 sind die Ergebnisse der säurekatalysierten Umwandlung der (R)-Cyanhydrine der allgemeinen Formel II in (R)-Pantolacton zusammengefaßt.

Tabelle 5

D) Vergleichsbeispiel

Cellulosepulver (Avicel) wird mit 0,02 molarer Acetatpufferlösung von pH 3,3 (6,5 ml/g Cellulose) verrührt und nach 2 h abgesaugt und abgepreßt.

200 mg dieses vorbehandelten Trägermaterials werden mit 63 µl R-Oxynitrilaselösung (180 Units; 38 U/mg Protein) benetzt und in 10 ml Diisopropylether suspendiert. Nach der Zugabe von 163 mg (1,6 mmol) frisch destilliertem Hydroxypivalaldehyd und 96 mg (3.5 mmol) Cyanwasserstoff wird das Gefäß verschlossen und 6,5 h bei 22°C auf einem Rüttelgerät langsam bewegt. Nach Abtrennung des Feststoffes wird die Reaktionslösung gaschromatographisch untersucht. Für die Gehaltsbestimmung an Cyanhydrin wird eine Probe nach Zusatz von Xylit als internem Standard mit N-Methyl-N- (trimethylsilyl)-trifluoracetamid (MSTFA) silyliert. Die Trennung erfolgt an einer DB-5-Säule und ergibt 1,54 Gew.-% Cyanhydrin, was einer Ausbeute von 55,8% d. Th. entspricht.

Zur Bestimmung der Enantiomerenverteilung wird eine Probe mit Stickstoff eingedampft und anschließend mit N-Methyl- bis-trifluoracetamid (MBTFA) acyliert. Die Trennung erfolgt auf einer Lipodex-E-Säule.

Aus dem Flächenverhältnis der beiden Enantiomeren (R : S = 76,7 : 23,3) ergibt sich ein Enantiomerenüberschuß des R-Cyanhydrins von 53,4% ee.

Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Patentansprüchen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton durch Umsetzung von β-substituierten Pivalaldehyden der allgemeinen Formel I worin
X für Hal, OR, steht, wobei
R C₁-C₄-Alkyl, -Alkenyl oder -Alkinyl, Aryl oder Aralkyl bedeutet und die Alkylreste jeweils verzweigt oder linear sein können,
mit Cyanwasserstoff in einem wäßrigen Medium oder in einem zumindest Spuren von Wasser aufweisenden organischen Lösungsmittel in Gegenwart von die Addition des Cyanwasserstoffs an den β-substituierten Pivalaldehyd der Formel I katalysierenden Mengen (R)-Oxynitrilase [EC 4.1.2.10] zu
(R)-Cyanhydrinen der allgemeinen Formel II worin X die bei Formel I angegebene Bedeutung besitzt,
und anschließende Verseifung des resultierenden Cyanhydrins im sauren Milieu unter Zyklisierung zum (R)-Pantolacton.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen der Formel I umgesetzt werden, worin X = Cl, Br oder OR mit R = CH₃, C₂H₅, CH₂-CH = CH₂ ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung der β-substituierten Pivalaldehyde der allgemeinen Formel I mit Cyanwasserstoff in einem organischen Lösungsmittel, das zumindest Spuren von Wasser aufweist, vornimmt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Lösungsmittel einen Ether, bevorzugt Diisopropylether, einsetzt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man mit einem 2-5 fachen molaren Überschuß, bevorzugt einem 2-3 fachen molaren Überschuß, HCN, bezogen auf den β-substituierten Aldehyd der allgemeinen Formel I, umsetzt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die (R)-Oxynitrilase auf einem Träger immobilisiert.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man als Träger Cellulose oder Kieselgur einsetzt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die β-substituierten Pivalaldehyde in Gegenwart von ca. 1800-3000 U (R)-Oxynitrilase je mmol β-substituierten Pivalaldehyds umgesetzt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Gegenwart einer hochgereinigten (R)-Oxynitrilase mit einer spezifischen Aktivität von zwischen 50 und 150 U je mg (R)-Oxynitrilase umgesetzt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Umsetzung der Verbindungen der Formel I mit Cyanwasserstoff in Gegenwart eines Puffers, der den pH-Wert im Bereich zwischen 2,8 und 8 hält, durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der pH-Wert zwischen 2,8 und 3,5 gehalten wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein Acetat-Puffer verwendet wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die enzymkatalysierte Umsetzung bei Temperaturen zwischen 0°C und 50°C vorgenommen wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verseifung des Cyanhydrins in konz. HCl unter Erhalt von (R)-Pantolacton durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Verseifung ohne Zwischenisolierung des Cyanhydrins durchgeführt wird.

16. Als Zwischenprodukt im Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-15 erhältliche neue Cyanhydrine
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-brom-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-chlor-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-methoxy,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-ethoxy,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-acetyl.