DE2344812A1

DE2344812A1 - Verfahren zur herstellung von penicillinsulfoxid

Info

Publication number: DE2344812A1
Application number: DE19732344812
Authority: DE
Inventors: Patrick James Baker
Original assignee: Eli Lilly and Co
Current assignee: Eli Lilly and Co
Priority date: 1972-09-12
Filing date: 1973-09-05
Publication date: 1974-03-21
Also published as: CH583737A5; AR201835A1; PH9481A; ZA735720B; SU495840A3; IE38106L; AU5966173A; AT330348B; BE804710A; GB1388979A; JPS4962495A; FR2198948A1; HU166395B; IE38106B1; FR2198948B1; AU472678B2; US3904605A; IL43065A0; CA1007635A; DD107049A5

Description

P A T Ei N T A M W A L T
DR. I- !-./-.AS

ε !.1OKOiBfJ. 40

SChLElSiHEiMER SIR. 299

TEL i592201 /2OS

Aktenzeichen X-3797

Eli Lilly and Company, Indianapolis, Indiana/USA

Verfahren zur Herstellung von Penicillinsulfoxid

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Penicillinsulfoxiden aus penicillinhaltiger, filtrierter Fermehtationsbrühe.

Beim erfindungsgemassen Verfahren wird die filtrierte Brühe auf eine ausreichende Penicillinkonzentration eingeengt, mit einem mischbaren organischen Verdünnungsmittel verdünnt, gewünschtenfalls zur Entfernung unlöslicher Stoffe geklärt (filtriert), worauf man das Filtrat abschreckt und mit einem Oxydationsmittel behandelt, um das Penicillin in Penicillinsulfoxid umzuwandeln, das oxydierte Gemisch mit Säure behandelt, um so den pH-Wert des Gemisches soweit abzusenken, dass das Penicillinsulfoxid in erhöhtem Mass auskristallisiert, nämlich im allgemeinen auf einen Wert zwischen pH 1,5 und pH 2,5, das angesäuerte Gemisch mit einem wässrigen Medium für eine optimale Kristallisation von

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Penicillinsulfoxid verdünnt, und die feste Penicillinsulf oxidsäure aus dem flüssigen Medium ausfällt und abtrennt.

Durch das erfindungsgemässe Verfahren entfällt die vorherige Stufe der Bildung eines kristallinen Penicillinsalzes vor der Sulfoxidbildung, und man braucht ferner die filtrierte, penicillinhaltige Fermentationsbrühe nicht mit einem organischen Lösungsmittel extrahieren. Darüber hinaus sind die Ausbeuten an Penicillinsulfoxid bei einer vorgegebenen Menge an Penicillin- . Fermentationsflüssigkeit weit besser und das Produkt ist wider Erwarten ziemlich rein.

Erfindungsgemäss wird somit ein Verfahren zur Herstellung von fester Penicillinsulfoxidsäure oder deren Salzen geschaffen, bei welchem man direkt von penicillinhaltiger, filtrierter Fermentationsbrühe ausgeht. Das Verfahren lässt sich beispielsweise als Kombination einer Reihe von Verfahrensstufen beschreiben, das beanspruchte Verfahren muss jedoch nicht alle diese Stufen in der angegebenen Reihenfolge enthalten. Die verschiedenen Verfahrensstufen werden im folgenden angegeben, um hierdurch die augenblicklich als beste Ausführungsform angesehene Arbeitsweise näher zu beschreiben. Dieses Verfahren ist gekennzeichnet durch folgende Massnahmen:

a) Die penicillinhaltige Fermentationsbrühe wird nach Abtrennen des Penicillinmycels auf ein ausreichendes Flüssigkeitsvolumen eingeengt, beispielsweise auf eine Konzentration von 200 bis 400 mg Feststoff pro ml Flüssigkeitsvolumen,

b) die nach Verfahrensstufe a) erhaltene konzentrierte

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Flüssigkeit wird mit "etwa 0,5 bis 3 Volumina, vorzugsweise etwa 0/5 bis 2 Volumina,einer mischbaren organischen Flüssigkeit, beispielsweise Aceton, pro Volumen konzentrierter Brühe verdünnt,

c) die in dem verdünnten Gemisch aus Verfahrensstufe b) enthaltenen unlöslichen Bestandteile werden gewünschtenfalls ausgefällt und abgetrennt,

αχ) die organische Flüssigkeitkeit, beispielsweise Aceton, kann gewünschtenfalls aus dem Filtrat der Verfahrensstufe c) abgetrennt werden, was jedoch nicht unbedingt notwendig ist,

d₂) die nach Verfahrensstufe c) erhaltene Flüssigkeit, (Filtrat) oder die verbleibende wässrige Lösung aus Verfahrensstufe d^) wird mit einem Oxydationsmittel behandelt, durch welches man ein Penicillin zu einem Penicillinsulfoxid oxydieren kann, und welches sich zumindest teilweise in dem flüssigen Gemisch in einer Menge löst, die für eine Oxydation des darin enthaltenen Penicillins bei einer Temperatur zwischen etwa -20 ⁰C und etwa 25 ⁰C ausreicht,

e) das oxydierte Gemisch aus Verfahrensstufe d) wird mit einer Säure behandelt, um den pH-Wert des Gemisches soweit abzusenken, dass es zu erhöhter Kristallisation des Penicillinsulfoxids kommt, was für die gebräuchlichsten Penicilline einen pH-Wert zwischen etwa 1,5 und etwa 2,5 bedeutet,

f) das mit der Säure behandelte Gemisch aus Verfahrensstufe e) wird mit einer ausreichenden Menge Wasser

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oder einem anderen wässrigen Medium verdünnt, um hierdurch zu einer optimalen Kristallisation der Penicillinsulfoxidsäure aus der wässrigen Phase zu gelangen, und

g) das feste Penicillinsulfoxid wird aus dem nach Verfahrensstufe f) erhaltenen Gemisch abgetrennt.

Die penicillinhaltige, filtrierte Fermentationsbrühe kann für das erfindungsgemässe Verfahren auch ohne Einengen verwendet werden, wobei man allerdings nur geringe Ausbeuten und/oder schlechte Qualitäten an Penicillinsulfoxid erhält. Die Permentationsbrühe wird daher vorzugsweise vor ihrer Verdünnung mit dem organischen Verdünnungsmittel eingeengt. Hierzu kann man sich einer üblichen Eindampfapparatur bedienen, mit welcher verringerte Drücke an die Flüssigkeit angelegt werden.

Bei Verfahrensstufe b) wird die filtrierte und vorzugsweise konzentrierte Fermentationsbrühe mit 0,5 bis 3 Volumina einer mischbaren, organischen Flüssigkeit verdünnt, durch welche man in dem Gemisch vorhandene unerwünschte Verunreinigungen ausfällen kann. Handelt c.3 sich dabei um grössere Mengen Feststoffe, dann wird das Gemisch zur Abtrennung dieser Feststoffe aus dem wässrigen/organischen Filtrat, in dem die entsprechenden Penicillinanteile vorhanden sind, filtriert oder zentrifugiert. Falls die Feststoffe jedoch nur in geringerer Menge vorhanden sind und durch das Verfahren ohne Benachteiligung der Ausbeute oder Qualität des herzustellenden Penicillinsulfoxides durchgezogen werden können, dann kann man auf ihre Abtrennung ver-

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ziehten. Erfindungsgemäss werden diese unlöslichen Stoffe jedoch vorzugsweise abgetrennt, da man so ein reineres Produkt erhält. Zum Verdünnen der konzentrierten, filtrierten Brühe lassen sich verschiedene mischbare oder teilweise mischbare organische Flüssigkeiten verwenden. Aceton wird hierfür bevorzugt. Man kann jedoch auch andere organische Flüssigkeiten einsetzen, wie Methyläthylketon, Methanol, Aethanol, Isopropanol, tert. Butanol, Acetonitril, Propionitril und ähnliche, wobei man jedoch nicht unbedingt entsprechend verbesserte Ausbeuten an Penicillinsulfoxid erhalten muss. Nach Entfernen aller eventuell vorhandener Verunreinigungen aus dem wässrigen/organischen Gemisch,kann man gewünschtenfalls die organische Phase, beispielsweise durch Eindampfen entfernen, so dass eine wässrige Penicillinlösung zurückbleibt. Vorzugsweise wird das organische Verdünnungsmittel jedoch durch das ganze Verfahren mitgezogen.

Die wie oben beschrieben erhaltene wässrige oder wässrig/organische Penicillinlösung wird dann mit einem Oxydationsmittel behandelt, welches sich zur Bildung eines Penicillinsulfoxids eignet. Solche Oxydationsmittel sind beispielsweise Peressigsäure, Perpropionsäure, Perbenzoesäure oder Perbernsteinsäure. Vorzugsweise verwendet man Peressigsäure (in einer handelsüblichen Konzentration von 42 Gew.-% oder darunter) oder Perbernsteinsäure. Um eine optimale Penicillinsulf oxidbildung zu gewährleisten, setzt man einen molaren Ueberschuss an Oxydationsmittel ein, und zwar bezogen auf das in der Lösung vorhandene Penicillin. Im allgemeinen reichen 1 bis 3 Mol Oxydationsmittel pro Mol Penicillin aus, gewünschtenfalls kann man

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jedoch auch noch grössere Mengen verwenden. Die Oxydation wird vorzugsweise durchgeführt unter Abschrekken oder Kühlen des Penicillins auf -15 bis +5 ⁰C, da die Umsetzung unter diesen Bedingungen am wirksamsten ist und sich die einzelnen Materialien am besten einsetzen lassen.

Nach erfolgter Oxydation wird das Reaktionsgemisch mit einer Säure behandelt, um hierdurch den pH-Wert auf einen Punkt zu erniedrigen, bei welchem die Kristallisation des Penicillinsulfoxides günstig ist. Für die gebräuchlichsten Penicilline, wie Phenoxy— methylpenicillin oder Benzylpenicillin, liegt dieser pH-Wert zwischen etwa 1,5 und 2,5. Andere Penicillinsulfoxide können am besten bei pH-Bereichen kristallisieren, die etwas von dem oben angegebenen Wert abweichen. Der oben angegebene pH-Bereich wird jedoch als der beste Wert zur Kristallisation der meisten Penicillinsulfoxide angesehen. Als Säuren eignen sich beispielsweise Methansulfonsäure, p-Toluolsulfonsäure, Chlorwasserstoffsäure, Schwefelsäure, Orthophosphorsäure oder Salpetersäure, wobei Methansulfonsäure bevorzugt wird.

Zur Verbesserung der Kristallisation des festen Peni- eillinsulfoxides und seiner Abtrennung aus dem flüssigen Medium wird vorzugsweise weiteres Wasser zugesetzt, wodurch die Abtrennung von kristallinem Penicillinsulfoxid optimal erfolgt. Das Wasser kann entweder vor der Zugabe einer Säure, oder gleichzeitig hiermit oder auch zusätzlich sowie nachher zugegeben werden.

Sobald das gebildete Penicillinsulfoxid praktisch vollständig ausgefällt ist, kann man das kristalline Peni-

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cillinsulfoxid aus den wässrigen Mutterlaugen abtrennen. Hierfür geeignete Massnahmen sind beispielsweise ein Filtrieren oder Zentrifugieren.

Es muss als überraschend angesehen werden, dass man durch das oben angegebene Verfahren die Verarbeitung von Penicillin in Fermentationsflüssigkeiten zu Penicillinsulfoxid vereinfachen und wirtschaftlicher gestalten kann. Erreicht wird dies durch das Weglassen der Extraktion der filtrierten Fermentationsflüssigkeiten mit einem organischen Lösungsmittel, wodurch die darin enthaltenen Penicillinanteile entfernt werden, wobei man in unerwarteter Weise gleichzeitig· zu einer höheren Ausbeute an Penicillinsulfoxid mit einer nicht erwarteten Reinheit kommt, und zwar aus einer vorgegebenen Menge Penicillin in einer filtrierten Ferraentationsbrühe.

Die Erfindung wird anhand der Beispiele näher erläutert.

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Beispiel 1;

Dieses Beispiel vergleicht das verbesserte erfindungsgemässe Verfahren mit einem üblichen Verfahren zur Herstellung von Phenoxymethylpenicillinsulfoxidsäure. Es zeigt eine absolute Verbesserung der Ausbeute an Penicillinsulfoxidsäure aus einer vorgegebenen Menge einer penicillinhaltigen,filtrierten Brühe.

A) Uebliches Verfahren:

Eine Menge filtrierter Brühe, die 24,15 g Phenoxymethy lpenieiHin enthält, wird mit 1/3 Volumen an Amylacetat bei pH 2,0 extrahiert. Die wässrige sowie die organische Phase werden voneinander getrennt. Die Amylacetatphase wird mit konzentrierter Kaliumacetatlösung versetzt, und zwar in einer dem Dreifachen der Molarkonzentration des Penicillins entsprechenden Menge. Das hierbei erhaltene, kristalline Kalium-Phenoxymethy!penicillin wird abfiltriert, mit Isopropylalkohol gewaschen und bei 40°C im Vakuumschrank getrocknet. Die so gewonnenen Kristalle von Kalium-¹ Phenoxymethylpenicillin enthalten 16,2 g Penicillinaktivität, was einer Ausbeute von 67,2 % aus der filtrierten Brühe entspricht.

Ein Teil dieses kristallinen Kalium-Phenoxymethy1-penicillins, das 15,75 g Phenoxymethy!penicillinsäure enthält, was 23,4 g Penicillin in der Brühe entspricht, wird in 50 ml Wasser gelöst, worauf man 40 ml Aceton zugibt. Das Gemisch wird auf 0 °C gekühlt und mit einem Ueberschuss an 40 %-iger Peressigsäure bei dieser Temperatur oxydiert.

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20 Minuten nach dem Oxydieren erwärmt man die Lösung auf 25 ⁰C und erniedrigt den pH-Wert des Gemisches auf 2,0 durch Zugabe von 70 %-iger Methansulf onsäure, wodurch die Kristallisation einsetzt. Sodann werden 25 ml Wasser zugegeben, und das Gemisch schreckt man zur Vervollständigung der Kristallisation auf etwa 5 ⁰C ab. Das Kristallisationsgemisch wird filtriert,und das dabei erhaltene Produkt wäscht man mit dem zweifachen Kuchenvolumen an Wasser, bevor man es vier Stunden bei 58 ⁰C im Vakuumschrank trocknet.

Die dabei erhaltene Phenoxymethylpenicillinsulfoxidsäure wiegt 15,5 g. Ihre Reinheit beträgt 96,8 %, und unter Berücksichtigung der Wasserkorrektur 99,4 %, Die Ausbeute von den Kalium-Phenoxymethylpenicillin-Kristallen zu Sulfoxid liegt bei 91,0 %, was einer Gesamtausbeute aus der filtrierten Brühe von 61,2"% entspricht.

B) Verfahren unter Verwendung einer konzentrierten Filterbrühe;

Eine bestimmte Menge an filtrierter Brühe (enthaltend 24,15 g Phenoxymethylpenicillin) wird unter Vakuum auf etwa 260 mg/ml Feststoffkonzentration 5 Stunden lang bei 27 bis 29 ⁰C eingeengt» Sodann gibt man eine dem Volumen des Konzentrats entsprechende Menge Aceton zu. Der dabei entstandene Niederschlag wird unter Zusatz eines Filtrierhilfsmittels durch Druckfiltration abfiltriert.

Ein Drittel des nach obiger Filtration erhaltenen Filtrats wird weggenommen und für andere Arbeiten

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bereitgehalten. Die restlichen 66 % des ursprünglichen Volumens des Filtrats, die eine Phenoxymethylpenicillinaktivität von 15,9 g der Ausgangsbrühe darstellen, werden bei 0 ⁰C mit überschüssiger, handelsüblicher 40 %-iger Peressigsäure oxydiert. Nach 20 Minuten erwärmt man das Gemisch auf 25⁰C und erniedrigt den pH-Wert des Gemisches durch Zusatz von 70 %-iger Methansulfonsäure auf den Wert 2,0. Sodann wird Wasser in einer 1,3-fachen Menge, bezogen auf das Volumen des Ausgangskonzentrats, zugesetzt und zur Vervollständigung der Kristall!- sation schreckt man das Gemisch auf etwa 5 ° C ab. Die hierbei entstandenen Kristalle von Phenoxymethylpenicillinsäure werden abfiltriert und mit dem zweifachen Kuchenvolumen an Wasser gewaschen. Das Produkt wird in einem Trockenschrank 5,5 Stunden bei 58 ⁰C getrocknet.

Die dabei erhaltene, trockene Phenoxymethylpenicillinsulfoxidsäure wiegt 14,2 g. Die Reinheit beträgt 97,9 %, und nach Korrektur des enthaltenen Wassers 99,7 %. Die Ausbeute von der filtrierten Brühe zum Endprodukt liegt bei 83,5 %.

Beispiel 2;

Eine bestimmte Menge an filtrierter Fermentationsbrühe, welche 27 g Benzylpenicillinsäure enthält, wird auf etwa 1/9 ihres Volumens eingeengt. Die konzentrierte Flüssigkeit behandelt man mit 16 ml 40 %-iger Peressigsäure bei 0 bis 10 ⁰G. Nach beendigter Oxydation lässt man das Gemisch auf 25 ° C erwärmen und gibt weitere ml an 40 %-iger Peressigsäure-Lösung zu.

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Das so erhaltene Gemisch wird mit etwa 0,9 Volumen an Aethylacetat versetzt, worauf man den pH-Wert des Gemisches durch Zugabe von 70 %-iger Methansulfonsäure auf 2,0 erniedrigt. Eine Teilmenge von 100 ml der gelösten Phase wird mit Wasser geschüttelt und dann getrocknet, wodurch man 10 g amorphes Benzylpenicillin erhält, und zwar mit einer Benzylpenicillin-Reinheit von 76,6 %. Dies entspricht einer Ausbeute von 73,2 % aus der filtrierten Brühe. Die Identität der Benzylpenicillinsulfoxidsäure wurde dünnchromatographisch durch eine Infrarotkurve bestätigt.

Beispiel 3;

Die Verfahrensweise von Beispiel 1 wird im wesentlichen wiederholt, wobei man jedoch abweichend davon als Oxydationsmittel Perbernsteinsäure verwendet. Die Perbernsteinsäure kann hergestellt werden nach den in Reagents for Organic Synthesis, L.F. Fieser und M. Fieser, Verlag John Wiley and Sons, Inc. (1967), auf Seite 820 beschriebenen Verfahren. Obgleich eine nicht ausreichende Menge der Perbernsteinsäure für diesen Versuch verwendet wird, erhält man 63,5 % Ausbeute an Phenoxy-· methylpenieillinsulfoxidsäure, bezogen auf die Menge an filtrierter Brühe. Die Phenoxymethylpenicillinsulfoxidsäure verfügt über eine Reinheit von 97,8 %.

Beispiele 4 bis 7;

Man arbeitet im wesentlichen wie bei Beispiel 1 beschrieben, wobei jedoch abweichend davon der Einfluss des Aceton-Verdünnungsmittels für die konzentrierte,

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phenoxymethylpenicillinhaltige Filterbrühe verglichen wird mit dem Einfluss entsprechender Volumina an anderen organischen Verdünnungsmitteln.

Das jeweils verwendete organische Verdünnungsmittel, die dabei erhaltenen Ausbeuten an PhenoxymethylpeniciHinsulfoxidsäure, bezogen auf das in der filtrierten Brühe enthaltene Penicillin, und die Reinheit der jeweiligen Produkte können der folgenden Tabelle entnommen werden:

Einfluss verschiedener organischer Verdünnungsmittel

Verdünnungs	Ausbeute aus der fil	Reinheit
mittel	trierten Brühe	(Gew.-%)
	(% der theoretisch
	möglichen Ausbeute)
Aceton	87,2	99,2
Methanol	75,7	96,4
Isopropanol	75,7	96,1
Acetonitril	61,7	98,5

Beispiele 8 bis 11;

Arbeitsweise von Beispiel 1 wird im wesentlichen wiederholt, wobei man jedoch abweichend davon die Verwendung von Methanolsulfonsaure mit der Verwendung entsprechender Mengen anderer Säuren in der Kristallisationsstufe vergleicht in bezug auf ihren Einfluss auf die Ausbeute an Phenoxymethylpenicillinsulfoxidsäure. Die hierbei erhaltenen Ergebnisse gehen aus der folgenden Tabelle hervor:

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Einfluss verschiedener Säuren

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Säure	Ausbeute aus der fil	Reinheit
	trierten Brühe	(Gew.-%)
	(% der theoretisch
	möglichen Menge)
70 % CH₃SO₃H	79,2	99,4
30 % H₂SO₄	78,3	98
konz. HCl	76	98,2
85 % H₃PO₄	76	97,2

Claims

Patentansprüche:

il> Verfahren zur Herstellung von Penicillinsulfoxid, dadurch gekennzeichnet, dass man eine penicillinhaltige, filtrierte Fermentationsbrühe mit einer solchen Menge einer mischbaren, organischen Flüssigkeit verdünnt,' dass es hierdurch zur Ausfällung der nicht den Penicillinen zugehörigen unlöslichen Stoffe kommt, die so erhaltene penicillinhaltige Lösung bei einer Temperatur zwischen etwa - 20 ⁰C und etwa 25 ⁰C mit einer Persäure als Oxydations- " mittel behandelt, welche in dem flüssigen Gemisch in einer zur Oxydation des Penicillins zu Penicillinsulfoxid ausreichenden Menge löslich ist, das oxydierte Gemisch zur Erniedrigung des pH-Wertes und Einleitung der Kristallisation des Penicillinsulfoxids mit einer Säure behandelt, das angesäuerte Gemisch zur Optimierung der Kristallisation des Penicillinsulfoxids mit einem wässrigen Medium vermischt, und das Penicillinsulfoxid aus dem flüssigen Gemisch abtrennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die penicillinhaltige, filtrierte Fermentationsbrühe auf etwa 200 bis 400 mg Feststoff pro ml Flüssigkeitsvolumen einengt, bevor man diese Brühe verdünnt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die konzentrierte, filtrierte Fermentationsbrühe mit etwa 0,5 bis etwa 2 Volumina Aceton pro Volumen Brühe verdünnt.

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4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass man das Penicillin durch Verwendung von Peressigsäure zum Penicillinsulfoxid oxydiert.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Erniedrigung des pH-Wertes des oxydierten Penicillingemisches auf etwa 1,5 bis 2,5 Methansulfonsäure zusetzt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Herstellung von Phenoxymethylpenicillinsulfoxid ausgeht von einer phenoxymethylpenicillinhaltigen, filtrierten Brühe.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man zur Hefstellung von Benzylpenicillinsulfoxid von einer benzylpenicillinhaltigen, filtrierten Brühe ausgeht.

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