DE19901925A1

DE19901925A1 - Reactive separation of optical isomers comprises passing the isomers over a hydrolase enzyme immobilized on a microporous solid

Info

Publication number: DE19901925A1
Application number: DE1999101925
Authority: DE
Inventors: Hagen Kniep; Ulrich Daiminger
Original assignee: Aventis Research and Technologies GmbH and Co KG
Current assignee: Axiva GmbH
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2000-07-27
Also published as: WO2000043532A1; AU2663900A

Abstract

Reactive separation of optical isomers comprising passing the isomers over a medium comprising a hydrolase enzyme immobilized on a microporous solid, is new.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur reaktiven Trennung optischer Isomerer, bei dem man ein Enzym auf einem Feststoff immobilisiert und durch reaktive Veränderung eines Enantiomeren eine achirale Trennung ermöglicht.The invention relates to a process for the reactive separation of optical isomers, at which one immobilizes an enzyme on a solid and by reactive Changing an enantiomer enables achiral separation.

Die Notwendigkeit der Trennung optischer Isomerer ist aus einer Vielzahl von Anwendungen in der pharmazeutischen, veterinärmedizinischen, agrochemischen, feinchemischen und Kosmetikindustrie bekannt. Bei der rein chemischen und teilweise bei der biotechnologischen Produktion von Substanzen aus diesen Anwendungsbereichen werden häufig racemische Gemische beider Enantiomeren synthetisiert. Da die Wirkung beider Enantiomeren auf biologische Systeme i. d. R. sehr verschieden ist, besteht eine wichtige Aufgabe im Produktionsprozeß darin, das Racemat in die reinen Enantiomeren aufzutrennen. Diese Aufgabe kann mit verschiedenen Methoden gelöst werden:
The need to separate optical isomers is known from a variety of applications in the pharmaceutical, veterinary, agrochemical, fine chemical and cosmetic industries. Racemic mixtures of both enantiomers are frequently synthesized in the purely chemical and in some cases in the biotechnological production of substances from these fields of application. Since the effect of both enantiomers on biological systems is usually very different, an important task in the production process is to separate the racemate into the pure enantiomers. This task can be solved with different methods:

a) derivatization of an enantiomer and thereby changing the physical properties
b) Chemical conversion to diastereomeric salts
c) Enzymatic isomerization of an enantiomer
d) application of a chiral auxiliary
e) Asymmetric synthesis

Der Einsatz enantiomerenreiner Stoffe ist insbesondere bei einer Produkterzeugung ausgehend von Basischemikalien nur selten möglich. Der Preis enantiomerenreiner Ausgangsprodukte ist ferner deutlich höher als für Racemate.The use of enantiomerically pure substances is particularly important when producing products only rarely possible based on basic chemicals. The price of enantiomerically pure Starting products are also significantly higher than for racemates.

Eine Derivatisierung nur eines Enantiomeren, z. B. durch Addition einer Schutzgruppe, ermöglicht es, die physikalischen Eigenschaften zu verändern. Die so veränderten Enantiomeren lassen sich dann standardmäßig trennen (z. B. rektifikativ). Ferner existieren Membranverfahren, bei denen die Derivatisierung im Retentatraum einer Membrananlage erfolgt. Das unerwünschte Enantiomer wird durch Addition einer großen Molekülkette an der Permeation durch die Membran gehindert. Das gewünschte Enantiomer wird über die Membran abgetrennt. Nachteilig ist dabei, daß nicht umgesetztes unerwünschtes Enantiomer ebenfalls durch die Membran permeiert. Weiterhin wird für die Derivatisierung ein optisch aktiver Katalysator benötigt, der i. d. R. speziell für die zu lösenden Aufgabe optimiert werden muß. Sowohl die Optimierung als auch der Katalysator sind daher sehr kostenintensiv.A derivatization of only one enantiomer, e.g. B. by adding one Protection group, makes it possible to change the physical properties. The so modified enantiomers can then be separated by default (e.g. rectificative). There are also membrane processes in which the derivatization in Retentate room of a membrane system takes place. The unwanted enantiomer will by adding a large molecular chain at the permeation through the membrane hindered. The desired enantiomer is separated off via the membrane. The disadvantage here is that unreacted unwanted enantiomer also permeated through the membrane. Furthermore, an optical is used for the derivatization active catalyst needed i. d. Usually especially for the task to be solved must be optimized. Both the optimization and the catalyst are therefore very expensive.

Eine weitere Möglichkeit zur Enantiomerentrennung besteht in der Umwandlung mit anderen chiralen Salzen zu diastereomeren Salzen. Diese können dann z. B. durch Kristallisation getrennt werden. Auch bei diesem Verfahren sind die eingesetzten chiralen Salze sehr teuer.Another way of separating enantiomers is to convert with other chiral salts to diastereomeric salts. These can then e.g. B. by Crystallization can be separated. The methods used are also used in this process chiral salts very expensive.

Enantiomere aus racemischen Gemischen lassen sich ferner anreichern, indem z. B. enzymatisch ein Enantiomer racemisiert wird, ohne daß eine simultane Trennung stattfindet (JP 1085089). Diese Reaktion wird i. a. jedoch gleichgewichtslimiert sein. Um einen höheren Umsatz zu erreichen, muß daher das gewünschte Enantiomer in einem weiteren Verfahrensschritt abgetrennt werden [Hashimoto, K. et al. In Ganetsos, G.; Barker, P. E.: Preparative and production scale chromatography, N. Y.: Wiley. 1993]. In [Kalbe, J. et al.: Design of enzyme reactors as chromatographic columns for racemic resolution of amino acid esters. Chromatographia, 28 (1989) 3/4, 193ff.] wurde eine enzymatisch veresterte D- Aminosäure von der unveresterten L-Aminosäure abgetrennt. Diese Anwendung beschränkt sich nur auf die Trennung von Aminosäure-Enantiomeren. Eine großtechnische Anwendung scheitert ferner an den eingesetzten speziell optimierten, teueren Enzymen.Enantiomers from racemic mixtures can also be enriched by e.g. B. an enantiomer is racemized enzymatically without simultaneous separation takes place (JP 1085089). This reaction is i. a. however, be equilibrium limited. In order to achieve a higher conversion, the desired enantiomer in a further process step can be separated [Hashimoto, K. et al. In Ganetsos, G .; Barker, P.E .: Preparative and production scale chromatography, N.Y .: Wiley. 1993]. In [Kalbe, J. et al .: Design of enzyme reactors as chromatographic columns for racemic resolution of amino acid esters. Chromatographia, 28 (1989) 3/4, 193ff.] An enzymatically esterified D- Amino acid separated from the unesterified L-amino acid. This application is limited to the separation of amino acid enantiomers. A Large-scale technical application also fails due to the specific use optimized, expensive enzymes.

Sehr häufig werden chirale Hilfsstoffe zur Trennung eingesetzt. So kann z. B. eine optisch aktive enantiomerenreine Flüssigkeit zur Extraktion eines Enantiomeren eingesetzt werden. Häufiger wird jedoch ein chiraler Feststoff (Adsorbens) verwendet, an dem die Enantiomeren chromatographisch getrennt werden. Sowohl die beschriebenen Flüssigkeiten als auch die Feststoffe sind meist sehr teuer (< 3000 $/kg).Chiral auxiliaries are very often used for separation. So z. Legs optically active enantiomerically pure liquid for the extraction of an enantiomer be used. However, a chiral solid (adsorbent) is becoming more common used on which the enantiomers are separated chromatographically. Either the liquids described and the solids are usually very expensive (<$ 3000 / kg).

Enantiomeren können ebenfalls durch eine asymmtrische Reaktion in reiner Form erzeugt werden. Hierzu sind jedoch spezielle Katalysatoren erforderlich, die i. a. über chirale Liganden verfügen. Bisher sind jedoch keine Standardkatalysatoren verfügbar. Diese müssen vielmehr für jede Reaktion speziell entwickelt werden und sind daher sehr teuer (< 20000 $/kg).Enantiomers can also be obtained by an asymmetric reaction in pure form be generated. However, special catalysts are required for this, which i. a. have chiral ligands. So far, however, they are not standard catalysts available. Rather, they have to be developed specifically for each reaction are therefore very expensive (<$ 20,000 / kg).

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren so zu verbessern, daß ein gewünschtes Enantiomer aus einem Enantiomerengemisch auf einfache und preiswerte Weise in optisch reiner Form zu gewinnen ist.The invention was therefore based on the object, the method mentioned at the outset to improve so that a desired enantiomer from a Enantiomer mixture in a simple and inexpensive way in optically pure form win is.

Es wurde nun überraschend gefunden, daß die Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß das Enzym eine Hydrolase und der Feststoff ein mikroporöses Polymer ist. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird diese Aufgabe im besonderen dadurch gelöst, daß ein Enantiomer eines Enantiomerengemisches selektiv durch eine von einem immobilisierten Enzym katalysierte Reaktion verändert wird, und das gebildete Reaktionsprodukt simultan aufgrund unterschiedlicher Affinitäten zu einem achiralen, dispersen, porösen Feststoff, auf dem das erwähnte Enzym immobilisiert ist, vom Isomerengemisch abgetrennt wird. Der durch die Immobilisierung des Enzyms auf dem achiralen Feststoff gebildete enzymatisch aktive Feststoff wird im erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise in eine Säule gefüllt, die von der Ausgangslösung durchströmt wird.It has now surprisingly been found that the object is achieved in this way may be that the enzyme is a hydrolase and the solid is a microporous polymer is. In the method according to the invention, this task becomes special solved in that an enantiomer of a mixture of enantiomers selectively by a reaction catalyzed by an immobilized enzyme is changed, and that formed reaction product simultaneously due to different affinities for one achiral, disperse, porous solid on which the enzyme mentioned is immobilized is separated from the isomer mixture. The by the immobilization of the Enzyme formed on the achiral solid enzymatically active solid is in the inventive method preferably filled into a column by the Starting solution is flowed through.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur reaktiven Trennung optischer Isomerer, bei dem man ein Enzym auf einem Feststoff immobilisiert und die zu trennenden Isomere über dieses Medium leitet, dadurch gekennzeichnet, daß man als immobilisiertes Enzym eine Hydrolase verwendet, sowie einen mikroporösen Feststoff (entspricht vorherigem Abschnitt). Durch die Kombination von Reaktion und Trennung hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß für die Reaktion ein kostengünstiges, weniger substratspezifisches Enzym eingesetzt werden kann, da durch die simultane Abtrennung des Reaktionsproduktes kein Reaktionsgleichgewicht erreicht wird und somit hohe Umsätze erzielt werden können. Umgekehrt kann aufgrund der veränderten Eigenschaften des durch die enzymatische Reaktion veränderten Enantiomeren ein preisgünstiger achiraler Feststoff für die Abtrennung des Reaktionsproduktes eingesetzt werden. Durch die Kombination eines weniger substratspezifischen Enzyms mit einem mikroporösen, vorzugsweise achiralen Feststoff zur Trennung des enzymatischen Reaktionsproduktes wird somit durch das erfindungsgemäße Verfahren überraschenderweise eine Racemattrennung bereitgestellt, die verglichen mit anderen Verfahren zur Racemattrennung außerordentlich preiswert ist. Das erfindungsgemäße Verfahren kann in Form eines üblichen chromatographischen Trennverfahrens durchgeführt werden.The invention therefore relates to a method for reactive optical separation Isomer, in which one immobilizes an enzyme on a solid and the separating isomers via this medium, characterized in that a hydrolase is used as the immobilized enzyme, and a microporous one Solid (corresponds to previous section). The combination of reaction and separation has the inventive Process the advantage that an inexpensive, less for the reaction substrate-specific enzyme can be used because of the simultaneous Separation of the reaction product no reaction equilibrium is reached and thus high sales can be achieved. Conversely, due to the changed properties of the changed by the enzymatic reaction Enantiomer an inexpensive achiral solid for the separation of the Reaction product are used. By combining one less substrate-specific enzyme with a microporous, preferably achiral Solid for separating the enzymatic reaction product is thus by Process according to the invention surprisingly a racemate separation provided that compared to other methods for racemate separation is extremely inexpensive. The method according to the invention can take the form of a usual chromatographic separation process can be carried out.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird als Enzym eine Hydrolase, zunächst auf einem geeigneten Feststoff, z. B. Polystyrolharz, Polyacrylharz mit/ohne Ionenaustauschgruppen, immobilisiert. Als Enzym kann ein Standardenzym (z. B. Lipase aus candida antarctica oder aspergillus niger) verwendet werden, das ein Enantiomer gezielt verändert. Im erfindungsgemäßen Verfahren sollte das Enzym vorzugsweise die Addition einer chemischen Gruppe an ein Enantiomer oder die Hydrolyse eines Enantiomeren katalysieren. Als Feststoff wird im erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt ein achirales, poröses Material gewählt, zu dem die Enantiomeren im Ausgangsgemisch andere Affinitäten aufweisen als das veränderte Enantiomer. Hierzu kann beispielsweise ein polymeres Adsorberharz, ein Ionenaustauscher oder ein Zeolith gewählt werden, abhängig von den Eigenschaften der Enantiomeren im Ausgangsgemisch und des enzymatisch veränderten Enantiomeren.In the process according to the invention, a hydrolase is initially used as the enzyme a suitable solid, e.g. B. polystyrene resin, polyacrylic resin with / without Ion exchange groups, immobilized. A standard enzyme (e.g. Lipase from candida antarctica or aspergillus niger) can be used Targeted changes in the enantiomer. In the method according to the invention, the enzyme preferably the addition of a chemical group to an enantiomer or the Catalyze hydrolysis of an enantiomer. As a solid The method according to the invention preferably uses an achiral, porous material which the enantiomers in the starting mixture have different affinities than that changed enantiomer. For this purpose, for example, a polymeric adsorber resin can be used Ion exchangers or a zeolite can be chosen depending on the Properties of the enantiomers in the starting mixture and of the enzymatic modified enantiomers.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei Drücken im Bereich von 0 bis 200 bar, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 50 bar und bei Temperaturen zwischen -10 und 120°C, vorzugsweise im Bereich von 5 bis 80°C durchgeführt werden. The process according to the invention can be carried out at pressures in the range from 0 to 200 bar, preferably in the range from 1 to 50 bar and at temperatures between -10 and 120 ° C, preferably in the range of 5 to 80 ° C.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl diskontinuierlich in einer Einzelsäule als auch kontinuierlich, z. B. Simulated Moving Bed, Annulares Verfahren, durchgeführt werden.The process according to the invention can be carried out batchwise in a single column as well as continuously, e.g. B. Simulated Moving Bed, Annular Process, be performed.

Claims

1. A process for the reactive separation of optical isomers, in which an enzyme is immobilized on a solid and the isomers to be separated are passed through this medium, characterized in that a hydrolase is used as the immobilized enzyme, and a microporous solid.

2. The method according to claim 1, characterized in that one as a solid an achiral, microporous polymer is used.

3. The method according to claim 1, characterized in that from the achiral microporous solid and the enzyme immobilized on it formed medium is filled in a column and the process as reactive Chromatography is operated.

4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized characterized in that as a solid ion exchanger or glasses or zeolites be used.