DE2348471B2 - Verfahren zur Herstellung von in 2-Stellung substituierten 4 (R) Hydroxycyclopentan-1,3-dionen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von in 2-Stellung substituierten 4 (R) Hydroxycyclopentan-1,3-dionen

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DE2348471B2
DE2348471B2 DE2348471A DE2348471A DE2348471B2 DE 2348471 B2 DE2348471 B2 DE 2348471B2 DE 2348471 A DE2348471 A DE 2348471A DE 2348471 A DE2348471 A DE 2348471A DE 2348471 B2 DE2348471 B2 DE 2348471B2
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Description

OCH,
IO
«5
in der R ein Wasserstoffatom oder eine Gruppe der allgemeinen Formel
-(CH2Jx-COOR'
bedeutet, wobei χ eine ganze Zahl von 2 bis 8 ist, oder eine Verbindung der allgemeinen Formel
20
in der R ein Wasserstoffatom oder eine Gruppe der allgemeinen Formel
CH2 — CH == CH — (CH2)„ — COOR'
ist, in der y eine ganze Zahl von 3 bis 5 und R' den Rest eines Alkanols mit 1 bis 6, vorzugsweise 1 bis 2 C-Atomen bedeutet, in Gegenwart eines Mikroorganismus der Gruppen Endomycetales, Mucorales, Moliliales und Eurotiales aus der Klasse der Ascomycetes unter sonst üblichen Bedingungen fermentiert und das gewünschte Reaktionsprodukt in üblicher Weise, wie durch Säulenchromatographie, abtrennt.
45
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von in 2-Stellung substituierten 4-Hydroxy-cyclopentan-l,3-dionen, die wichtige Zwischenprodukte zur Herstellung von natürlichen Prostaglandin und deren Analogen sind.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von in 2-Stellung substituierten 4-Hydroxy-cyclopentan-l,3-dionen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man in 2-Stellung substituierte Cyclopentan-1,3,4-trione oder in 2-Stellung substituierte 3-Alkoxy-2-cyclopenten-l,4-dione der fermentativen enzymatischen Wirkung bestimmter Mikroorganismen aussetzt, wobei man die gewünschten optisch-aktiven Verbindungen erhält.
Die Prostaglandine, die cyclische, oxidierte C20-FeU-säuren auf der Grundlage des Prostansäureskelette sind, und deren Analoge haben große Bedeutung erlangt auf Grund ihres weiten physiologischen Wirkungsspektrums, das sie auf das cardiovascular (Kreislauf), Atmungs-, endocrine, hämostatische, Nerven-, Fortpflanzungs-, Nieren- und Gastrointestinal-System von Tieren und Menschen ausüben.
Die Verfügbarkeit natürlicher Prostaglandine ist zur Zeit Tiemlich begrenzt, und Verfahren zu ihrer Herstellung sind lange und mühsam und führen nur zu äußerst geringen Mengen der Verbindungen. Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren zur Herstellung von Prostaglandinen und deren Analogen sind die häufigen Auftrennverfahren, die durchgeführt werden müssen, um die gewünschten optischaktiven Verbindungen zu erhalten.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von wichtigen Zwischenprodukten für die Synthese von Prostaglandinen und deren Analogen zu entwickeln, die die gewünschte optische Aktivität besitzen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von in 2-Stellung substituierten 4-Hydroxy-cyclopentan-l,3-dionen, bei dem man Verbindungen der allgemeinen Formel
in der R ein Wasserstoffatom oder eine Gruppe der allgemeinen Formel (CH2),-COOR' bedeutet, in der χ eine ganze Zahl von 2 bis 8 ist, oder eine Verbindung der allgemeinen Formel
in der R ein Wasserstoffatom oder eine Gruppe der allgemeinen Formel
CH2 — CH = CH — (CH2), — COOR'
bedeutet, in der ν eine ganze Zahl von 3 bis 5 ist, und R' jeweils der Rest eines Alkanols mit 1 bis 6, vorteilhaft 1 bis 2 Kohlenstoffatomen in Gegenwart eines Mikroorganismus der Gruppen Endomycetales, Mucorales, Moliliales und Eurotiales aus der Klasse der Ascomycetes unter sonst üblichen Bedingungen fermentiert und das gewünschte Reaktionsprodukt in üblicher Weise, wie durch Säulenchromatographie, abtrennt.
Wenn auch die freien Säuren selbst angewandt werden können, so hat sich doch gezeigt, daß man bei Verwendung von Estern höhere Ausbeuten erhält. Die bevorzugten Ausgangsverbindungen sind solche, in denen ν = 6 und R' einen Alkylrest mit 1 bis 6 Kohlenstoffatomen bedeutet.
Einige Mikroorganismen besitzen Esteraseaktivität, die die Teilhydrolyse der Estergruppe im Rest R verursachen kann. Diese Aktivität kann jedoch durch Zugabe einer kleinen Menge von Allylalkohol zu dem Fermentationsmedium vollständig gehemmt werden.
Es ist bekannt, daß die Ketofunktion in der 4-Stellung der oben angegebenen Verbindungen durch Hydrierung in Gegenwart eines Palladium-Kohlen-Katalysators reduziert werden kann (vgl. R.Pappo,
P. Collins und C. Jung, Annals of New York Academy of Sciences, Bd. 180, 64 [1971]). Die erhaltene Hydroxyverbindung ist jedoch ein Racemat kn Gegensatz dazu kann durch Ausnutzung der fermentativen Wirkung eines Mikroorganismus gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Hydrierung der Oxo-Gruppe in 4-Stellung stereospezifisch durchgeführt werden, wobei man die 4(R)-Konfiguration (nach der Cahn-Ingold-Prelog-Bezeichnung) erhält Diese Konfiguration ist erforderlich für die Umwandlung der hergestellten Verbindungen in die natürlichen Prostaglandine. Ein Beispiel für eine solche Umwandlung, bei der das erhaltene Endprodukt Prostaglandin PGE1 ist, ist im folgenden schematisch dargestellt:
CO2H3
erfindungsgemäß
CO2CH3
HO O
Q-CO-C6H5
CO2CH3
(HI)
Na[AlH2(OCH2CH2OCH3J2]
CO2CH3
/VN/V
CO2CH3
HO
Die Umwandlung von IV in V kann leicht nach dem von Charles J. S i h u. a. in J. Amer. Chem. Soa, 94, 3643 (1972), beschriebenen Verfahren durchgerührt werden. Aus dem erfindungsgemäß hergestellten stereospezifischen 2-(6'-Carbomethoxyhexyl)-4(R)-hydroxy-cyclopentan-l,3-dion kann daher ohne Schwierigkeiten das dem natürlichen Prostaglandin E1 entsprechende Produkt unter Aufrechterhaltung der bestimmten stereospezifischen Konfiguration hergestellt werden.
In den folgenden Beispielen wurde die Stereoisomerie der 4-Hydroxylgruppe durch Zirkular-Dichroismus-Analyse bestimmt Das R-Epimere zeigt einen negativen Cotton-Effekt ([<9] · 10 "3 -85°) bei λ ■ 281 ma und einen positiven Cotton-Effekt ([Θ-10"5 +87°) bei λ·262ηΐμ, der charakteristisch ist für ein derartiges; System.
Die Eignung eines bestimmten Organismus für die erfindungsgemäße Reduktion kann leicht nach (I) 20 dem folgenden Untersuchungsverfahren bestimmt werden.
Allgemeines Untersuchungsverfahren
zur Bestimmung der Reduktionswirkung
eines speziellen Organismus
Sabourauds Schrägagar oder andere für das Wachstum geeignete Medien auf Agarbasis wurden mit dem Mikroorganismus beimpft. Der beimpfte Schrägagar wurde in einen Inkubator gegeben, der auf 25° C gehalten wurde, und dort 1 Woche belassen. Anschlie-
(II) ßend wurde er entfernt, und 15 cm3 steriles Wasser
wurde zugegeben. Die Sporen und das pflanzliche Wachstum wurden mit einer sterilen Nadel aus dem Agar entfernt. Die Suspension wurde in einen Kolben
gegeben, der 50 cm3 des unten beschriebenen Soja-Dextrose-Mediums enthielt. Der Kolben wurde dann in einen Rotationsschüttler in einem Inkubator gegeben, der auf 25° C gehalten wurde, und 24 Stunden mit 210 Umdrehungen/Minute geschüttelt. Nach die-
ser Anfangszeit (erstes Impfmaterial) wurden 5 cm3 der submersen Kultur in jeden Doppelkolben mit 3 verschiedenen Medien gegeben, nämlich Soja-Dextrose, Cerelose-Edamin, und Dextrin-Maiswasser, deren Zusammensetzung unten angegeben ist. Die Kolben wurden in eine Schüttelvorrichtung gegeben, und die Mikroorganismen konnten 24 bis 48 Stunden bei 25CC wachsen. Jeweils zu einem Kolben eines Paars wurden 25 mg in 2-Stellung substituiertes Cyclopentan-l,3,4-trien in 25 cm3 Dimethylformamid als Substrat gegeben. Zu dem anderen Kolben jedes Paares wurden 0,25 cm3 Dimethylformamid als Vergleich gegeben. Alle Kolben wurden unter dem glei-(IV) chen Bedingungen weitere 24 Stunden geschüttelt
und dann aus der Schüttelvorrichtung entfernt. Die Wachstumseigenschaften und der pH-Wert wurden notiert, die gesamte Brühe wurde in jedem Kolben mit 6n-HCl auf einen pH-Wert von 2,0 angesäuert und einmal mit einem Volumen Äthylacetat entsprechend dem Volumen der Fermentationsbrühe extrahiert. Das Lösungsmittel wurde von jedem Auszug durch Erwärmen in einem Wasserbad auf ungefähr 60° C entfernt. Die Reste wurden jeweils in 1 cm3 Aceton gelöst und mit Hilfe der Dünnschicht-Chro-
(V) matographie analysiert.
Die untersuchten Proben wurden dann alle auf Platten mit Silikagel G unter Anwendung eines geeigneten Systems chromatographiert, wobei ein bevorzugtes Lösungsmittelsystem Äthylacetat-Essigsäu-
re-Isooctan^O (110:20:50:100) war. Nach der Dextm-Maiswasser
Entwicklung wurden die Platten unter ultraviolettem 10g
Licht betrachtet. Man erhielt die folgenden Rf-Werte M&nua 80 S
für die interessierenden Verbindungen. 5 fcjkPO* · g
NaCl \f
CO2CH2CH3 Wasser^ ^1.'
Autoklav 30 Minuten bei 1,1 kg/cm .
J> \ '° Das oben angegebene allgemeine Untersuchungs-
O O Rf = 0,57 verfahren die Nährmedien sowie das Ferrr.entations-
veSrS in den folgenden Beispielen sind nur he,-TSStaft und können in verschiedener Weise variiert
O PSf So können andere Stickstoff- und Kohlen-
CO2CH3 «5 Α, ΪΪ Nährmedien (z.B. Maismehl,
HÄeSneischextrakt) oder andere Proteinhydro-Wste oder Sacharose, Glukose, Maltose, Stärke,
S \. Molasse an Stelle von Dextrin angewandt werden.
(T O Rf = 0,48 Aucikönnen andere bei Fermentationen übliche
Modifikationen durchgeführt werden - die Zugabe- ^h des Substrats nach der Zugabe des Mediums kann
O vSiert werden, der Anfangs-pH-Wert für die Zugabe
CO2H Sd die Umwandlung des Substrats kann von unge-
2S Sr 5 0 bis ungefähr 7,5 variiert werden die Menge des Substrats und die Rührgeschwindigkeit können
c/ ^O Rf = 0,32 VtretndeWnfolgenden Beispielen erhaltenen Produkte
«,.mten mit Hilfe der Ultraviolett-, Infrarot- und kern-30 magnetiSen Resonanzspektren und durch Dünn-CO2CH2CH3 Sicht-Chromatographie charakterisiert.
Beispiel 1
2 - (6' - Carbomethoxyhexyl) - 4(R) - hydroxy - cyclo- u/ \ Rf = 0,18 35 pentan-l,3-dion(II)wurdefolgendermaßenhergeSteiH:
CO2CH3
CO2H
/ ·\
ο ο
Ό Rf - 0,09
Die Zusammensetzung typischer Nährmedien, die für das oben angegebene Untersuchungsverfahren und die ansatzweise Fermentation in den folgenden Beispielen geeignet sind, sind die folgenden:
Soja-Dextrose
Sojabohnenmehl 5 g
Dextrose 20 g
NaCl 5 g
K2HPO4 5 g
Hefe 5 g
Wasser 11
pH-Wert 7,0
Autoklav bei 1,1 kg/cm3 15 Minuten.
Cerelose-Edamin
Cereliase (rohe Dextrose) 50 g
Edarrtiin*) 20 g
Maiswasser 5 cm3
Wasser 11
pH-Wert 7,0
*) Eu?ymatisches Hydrolysat von Milchprotein.
CO2CH3
A. Fermentation
Das Oberflächenwachstum von 1 Woche altern Schrägagar von Dipodascus uninucleatus wurde in 5 cm3 Salzlösung (0,85%) suspendiert 2 cm3 Anteile dieser Suspension wurden angewandt, um 50cm 6o des oben angegebenen Sojabohnen-Deitrose-Medmms in 250-cm3-Erlenmeyerkolben zu beimpfen (F-l-Stufe) Die Kolben wurden 24 Stunden bei 25 C auf einem Rotationsschüttler (250 Umdrehungen/Minute, Radius 5,1 cm) inkubiert und anschließend 10 Volumen prozent davon zu jedem von vier 2-1-Erlenmeyer-' kolben (F-2-Stufe), enthaltend 500 cm3 des Sojabohnen-Dextrose-Mediums, gegeben. Nach 24stundiger Inkubation auf einem Rotationsschuttier wurden
250 mg 2 - (6' - Carbomethoxyhexyl) - cyclopentan-1,3,4-trion (I) (J. K a t s u b e und M. M a t s u i, J. Agr. Biol. Chem., 33, 1078 [1969]) in 2 cm3 Dimethylformamid zu jedem Kolben gegeben. Die F~2-Kolben wurden dann weitere 24 Stunden unter den für die Inkubation der F-I-Stufe angegebenen Bedingungen inkubiert.
B. Isolierung
24 Stunden nach der Zugabe des 2-Carbomethoxyhexyl-cyclopentan-l,3,4-trions(I) wurden die Zellen abzentrifugiert. Die überstehende Flüssigkeit wurde mit 6n-HCl auf einen pH-Wert von 2,0 gebracht und erschöpfend mit 1,51 Äthylacetat dreimal extrahiert. Das Äthylacetat wurde über Na2SO4 getrocknet und zu einem öl eingedampft. Dieser Rückstand wurde in 5 cm3 Benzoi-Äthylacetat (1:1) gelöst und auf eine Säule (32 χ 2,5 cm) gegeben, die mit Kieselsäure-Diatomeenerde (85:15) beschickt war. Die Säule wurde mit einem Gradientensystem, bestehend aus 500 cm3 50% Äthylacetat-Benzol in der Mischkammer und 50 cm3 reinem Äthylacetat in dem Vorratsbehälter eluiert und das Eluat in 7 cm3-Fraktionen gesammelt. Die Fraktionen 25 bis 104, die das gewünschte Produkt enthielten, wurden zusammengegeben und zur Trockne eingeengt, wobei man 1,2 g eines kristallinen Rückstandes erhielt. Beim Umkristallisieren aus Äthylacetat-Petroläther erhielt man 750 mg 2 - Carbomethoxyhexyl - 4 (R) - hydroxy - cyclopentan-l,3-dion(II),Fp.90bis92°C;[.0" = +19,93° (C, = 1,02CHCU); λ^<ΟΗ 272 ΐημ (> 23 500); CD, [Θ] · ΙΟ"3 = -85° bei λ 281 ηΐμ und [<9] · ΙΟ'3 = 4 87° bei λ 262 πΐμ).
B e i s ρ i e I e 2 bis 67
Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt, wobei jeweils der in der folgenden Tabelle abgegebene Mikroorganismus angewandt wurde. Dabei erhielt man das gewünschte Produkt 2-Carbomethoxyhexyl-4(R)-hydroxy-cyclopentan-l,3-dion jeweils in der in der Tabelle angegebenen Ausbeute.
Die in der Tabelle angegebenen Abkürzungen Tür die Hinterlegungsstelle bedeuten:
WB = Professor Kenneth B.Raper. Dept. of
Bacterology, University of Wisconsin, Madison, Wis. 53 706 USA.
ATCC = American Type Culture Collection, 12 301
Parklawn Dr., Rockville, Md. USA.
CBS = Centraalbureau voor Schimmelcultures, Baara, Holland.
NRRL = Nothera Regional Research Labs. U. S. D. A-, Peoria, IH. USA.
Beispiel
17
Beispiel
Himeriegnngs-Nr.
Ordnung Endomyoetales
2 WB 1125 Byssodamys fulva
3 WB1629 Dipodascus
uninucleatus
4 ATCC 14625 Dipodascus aggregatus
5 ATCC 12934 Dipodascus aibidus
6 WB Y 22 Zygosaccharomyces
priorianus
7 WB Y1598 Zygosaccharomyces
ashbya
Ausbein«
57%
70%
17%
11%
50%
19%
Hinlerlegungs- Organismus Aus-
Nr. beute
Ordnung Endomycelales
55
to 35 36 37
65 39 WB Y24
ATCC 10607
WBY610
WBYlOIl
WB Y1140
WB Y1974
WB Y 25
WB Y1483
WB Y 37
CSS 352
WB Y 854
Saccharomyces
cerevisiae
Saccharomyces
cerevisiae var. Odessa Saccharomyces
cerevisiae fragilis
Saccharomyces
cerevisiae acidifaciens Saccharomyces
cerevisiae lactis
Saccharomyces
cerevisiae dobzanskü Endomycopsis fibuliger Endomycopsis
javaanesis
Hansenula anomala
Schizosaccharomyces pombe
Schizosaccharomyces octosporum
Hinterlegungs- Organismus
Nr.
Ordnung Mucorales
WB 1304
WB X196
WB 1839
WB 1489
WB 1593
WB 1554
CBS 317
CBS 320
ATCC 4798
WB Y 87
WB Y 301
WB 1828
WB 1752
WB 1118
WB 1695
WB 10045
WB 1982
WB 1085
WB 5057
WB 5058
WB 4896
Ausbeute
Absidia blakesleeana
Absidia regnieri
Mucor rammannianus
Zygorhynchus
heterogamus(±)
Phascolomyces
articulosus
Phycomyces
blakesleeanus
Ordnung-Moliliales
Rhodotorüla
aurantiaca
Rhodotorüla pallida GeotrichuiB candidum Torulopsis pulcherriraa Candida krusei
CHiodadrum
fimbriatum
Gliocladium
vermoeseni
PaeciJomyces varioti Stachybotrys lobulata Tricfaodenna viride MemnonieHa echinata Gliocladium roseuro Fusariam
decemceHulare
Alternaria tenuis
Gliocladium
catenulatum
35°/ I5«5 29«! 21"! 9«
509531
Bei- Hinterlegungs- Organismus Ausspiel Nr. beute
Ordnung—Euroliales
WB WB 2031 WB 5680 WB 4717 WB WB WB 1061 WB1115 NRRL 2033 WB 2020 WB 2059 WB 2074 WB 2036 WB 2099 NRRL 2067 WB1900 WB1974 WB154 WB WB WB WB 2254 WB 2256 WB 2276 WB 2292 WB1787 WBA952
37% 21% 19% 22% 3% 17%
IO
20
Penicillium striatum
P. claviforme
P. pseudostromaticum
P. roqueforti
P. caseicolum
P. expansum
P. purpurogenum
P. varioti
P. frequentans
P. duclauxi
P. multicolor
P. sclerotiorum
P. granulatum
P. vermiculatum
P. terlikowskü
P. ilalicum
Aspergillus ustus
A. restrictus
A. ungins
A. terreus
A. luchensis
A. clavatus
A. ornatus
A. miyakoensis
A. citrisporus
A. janua
Dactylomyces
thermophilus
Thielavia
sependonium
Beispiel
2 - (6' - Carbomethoxyhexyl) - 4(R) - hydroxy - cyclopentan-l,3-dion wurde entsprechend dem im Beispiel 1 angegebenen Verfahren hergestellt, mit der Ausnahme, daß 2-(6'-Carbomethoxyhexyl)-3-methoxy-2-cyclopenten-l,4-dion als Substrat für die Umwandlung in das gewünschte Produkt angewandt wurde.
B ιϊ i s ρ i e 1 69
2 - (6' - Carboäthoxyhexyl) - 4(R) - hydroxy - cyclopentan-l,3-dion(IV) wurde folgendermaßen hergestellt:
CO2C2H5
(III)
67 WB1697
20%
15%
16% 38% 26% 15% 25%
7% 14%
8%
11%
40%
35
40
CO2C2H5
(IV)
A. Fermentation
Das Oberflächenwachstum von einer Woche alten Agarschrägen von Schizosaccharomyces pombe (CBS 352) wurde in 5 cm3 0,85%iger Kochsalzlösung suspendiert. 2 cm3 Anteile dieser Suspension wurden angewandt, um 50 cm3 des oben angegebenen Sojabohnen-Dextrose-Mediums in 250 cnr Erlenmeyerkolben (F-I) zu beimpfen. Die Kolben wurden 24 Stunden bei 25°C in einem Rotationsschüttler (250 Umdrehungen/Minute, Radius 5,1 cm) geschüttelt und anschließend 10 Volumprozent in einen 2-1-Erlenmeyerkolben (F-2) gegeben, der 500 cm3 des Sojabohnen-Dextrose-Mediums enthielt. Nach 24stündiger Inkubation auf einem Rotationsschüttler wurden 250 mg 2 - (6' - Carboäthoxyhexyl) - cyclopentan -1,3, 4-trion (III) (J. K a t s u b e und M. M a t s u i, J. Agr. Biol. Chem. [Japan] 33, 1078, [1969]) in 2 cm3 Dimethylformamid zu dem Kolben gegeben. Der F-2-Kolben wurde dann weitere 24 Stunden unter den für die Inkubation des F-I-Kolbens angegebenen Bedingungen inkubiert.
B. Isolierung
24 Stunden nach der Zugabe des Trionsubstrats(IH) wurden die Hefezellen abzentrifugiert. Die überstehende Flüssigkeit wurde mit όη-HCl auf einen pH-Wert von 2 gebracht, erschöpfend mit 500 cm3 Äthylacetat dreimal extrahiert Die Äthylacetat schicht wurde über Na2SO* getrocknet und eingedampft, wobei 5$ man einen öligen Rückstand erhielt. Der Rückstand wurde in 2 cm3 Benzol-Äthylacetat (1: i) gelöst und auf eine Säule von 2,5 χ 25 cm gegeben, die mit Kieselsäure-Diatomeenerde (85:15) beschickt war. Die Säule wurde mit einem Gradientensystem duiert bestehend aus 300 cm3 Äthylacetat-Benzol (1:1) ir der Mischkammer und 300 cm3 Äthylacetat in den Vorratsbehälter, und es wurden T-cra^-Fraktioner aufgefangen Die Fraktionen 19 bis 31 wurden zu sammengegeben und eingeengt. Man erhielt 39 mj IV; Fp. 83 bis 85 C; [α]? +14° (C1 = 0,47, CHQ3I /ä?·0" 272 ηαμ(/ 20000).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält mat die optischaktivea, in 2-SteHung substituierten 4-Hy droxy-cydopentaa-!,3-dione in hoben Ausbeuten, wo bei eine 70- bis 80%ige Umwandlung möglich is

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung von in 2-Stellung substituierten 4(R) - Hydroxy - cyclopentan-1,3-dionen, dadurch gekennzeichnet, daß man in 2-Stellung substituierte Cyclopentan-1,3,4-trione der allgemeinen Formel
DE19732348471 1972-09-29 1973-09-26 Verfahren zur Herstellung von in 2-Stellung substituierten 4 (R)-Hydroxycyclopentan-1,3-dionen Expired DE2348471C3 (de)

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