DE2548454C2 - Verfahren zur Herstellung von (+)-2,5-Dihydro-2-methyl-5-oxo-furan-essigsäure-(2) oder von 1,2-Dihydro-cis-1,2-dihydroxy-naphthalincarbonsäure-(2) - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von (+)-2,5-Dihydro-2-methyl-5-oxo-furan-essigsäure-(2) oder von 1,2-Dihydro-cis-1,2-dihydroxy-naphthalincarbonsäure-(2)

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DE2548454C2 DE2548454A DE2548454A DE2548454C2 DE 2548454 C2 DE2548454 C2 DE 2548454C2 DE 2548454 A DE2548454 A DE 2548454A DE 2548454 A DE2548454 A DE 2548454A DE 2548454 C2 DE2548454 C2 DE 2548454C2
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Description

oder von 1,2-Dihydro-cis-l^-diHydro-naphthalincarbonsäure-(2) der Formel
COOH
(Π)
15
20
COOH
bzw. deren Methylester, dadurch gekennzeichnet, daß man
A) eine Suspension
Ai) im Falle der Verbindung I
von Pseudomonas B 13-Bakterien (DSM 624) in einem 3-Chlor- oder 3-Brom-benzoesäure,
A2) im Falle der Verbindung II
von Pseudomonas testosteroni A 3-Bakterien (DSM 676) in einem Naphthalinsulfonsäuren) J5 als jeweils einzige Kohlenstoff- und Energiequelle enthaltenden Mineralsalzmedium bei 300C aerob unter Rühren anzüchtet,
B) kontinuierlich oder diskontinuierlich eine einmolare, wäßrige Lösung von Bi) im Falle der Verbindung I 4-MeihyI-brenzcatechin bzw.
B2) im Falle der Verbindung U Naphthalincarbonsäuren)
zu der gemäß Verfahrensstufe A) hergestellten Suspension gibt und umsetzt und
C) die gemäß Verfahrensstufe B) gebildete
(+ )-2,5-Dihydro-2-methyl-5-oxo-furan-essigsäure-(2) bzw. den l^-Dihydro-cis-l^-dihydroxy-naphthalin-2-carbonsäure-methylester in üblicher Weise gewinnt.
bzw. deren Methylester.
Diese Verbindungen waren bisher als Endprodukte erst nach einer Reihe von verschiedenen, organisch-chemischen Umsetzungen, also nicht in einem Arbeitsgange, aus den Ausgangsverbindungen erhältlich oder nur unrein im Gemisch mit anderen Verbindungen und zudem nur in geringer Ausbeute, d. h. in wenigen Prozenten der nach der Stöchiometrie erwarteten.
So wird beispielsweise bei der Oxidation von 4-Methyl-brenzcatechiii mit Peroxyessigsätve ein Gemisch mit
eis-, trans-0-MethyI-muconsäure,
IS-Dihydro-S-methyl-S-oxo-furanessig-
säure-(2),
2,5-Dihydro-2-methyl-5-oxo-furanessig-
säure-(2) und
2^-Dihydro-2-hydroxy-3-methyl-5-oxo-
furanessigsäure-(2)
erhalten [J. C Farrand, D. C Johnson: Journal of Organic Chemistry, Vol. 36, No. 23 (1971) Seiten 3606 bis 3612].
Aus der Veröffentlichung von J. C. Farrand et al. geht weiter hervor, daß die Verbindung 2,5-Dihydro-2-methyI-5-oxo-furanessigsäure-(2)
CH3
CH2-COOH
bei der Oxidation mit Peroxyessigsäure aus unterschiedlichen Ausgangsverbindungen jeweils in nur geringer Ausbeute als Racemat und stets im Gemisch mit anderen Oxidationsprodukten entsteht:
CH3
aus 4-Methylbrenzcatechin
: 4%
OH
55
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von aus 4-Methylveratrol
(+ )-2,5-Dihydro-2-methyi-5-oxo-furan-essigsäure-(2)
(1)
oder von l^-Dihydro-cis-l^-dihydroxy-naphthalincarbonsäure-(2)
<" aus p-Kresol
: 1%
OCH3
: 3%
aus p-Methylanisol
: 1%
aus 2-Methoxy-p-kresol
aus 4-Methyl-o-benzochinon
IO
15
20
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem auf chemischem Wege schwer zugängliche organische Verbindungen der im Gattungsbegriff genannten Art in einfacher Weise, in reinem Zustand und mit verhältnismäßig hoher Ausbeute hergestellt werden können. Verhältnismäßig hohe Ausbeuten bedeuten in diesem Fall Ausbeuten von mehr als 50%.
Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß r»an
35
A) eine Suspension
Ai) im Falle der Verbindung I
von Pseudomonas B 13-Bakterien (DSM 624) in einem 3-Chlor- oder3-Brom-benzoesäure
A2) im Falle der Verbindung II
von Pseudomonas testosteroni A 3-Bakterien (DSM 676) in einem Naphthalinsulfonsäuren)
als jeweils einzige Kohlenstoff- und Energiequelle enthaltenden Mineralsalzmedium bei 300C aerob unter Röhren anzüchtet,
B) kontinuierlich oder diskontinuierlich eine einmolare, wäßrige Lösung von
B|) im Falle der Verbindung 14-Methyl-brenzcate-
chin bzw.
Bj) im Falle der Verbindung II Naphthalincarbonsäure-(2)
zu der gemäß Verfahrensstufe A) hergestellten Suspension gibt und umsetzt und
C) die gemäß Verfahrensstufe B) gebildete
(+)-2£-Dihydro-2-methyl-5-oxo-furan-essigsäure-(2) bzw. den 1^-Dihydro-cis-l^-dihydroxy-naphthalin-2-carbonsäure-methyIester
in üblicher Weise gewinnt
Die Reaktionsfolge für den biologischen Abbau von
4-Halogen-brenzcatechin (z. B. aus 3-Halogen-benzoesäure)
und für den Cometabolismus von
4-Methyl-brenzcatechin
wird in dem nachfolgenden Reaktions-Schema durch die Reaktionen 3b und 4b dargestellt
Der Abbau von 3-Halogen-benzoesäure und der Cometabolismus der 3-Methylbenzoesäure dagegen haben zunächst, wie das Schema zeigt, die Bildung voneinander verschiedener Verbindungen nach der Reaktion 1 zur Folge, dif» aber einerseits in eindeutiger Weise (entweder über die Reaktionen 2a-3a-4a oder über 2b-3b-4b) weiter abgebaut werden. Der Substituent X steht in den Formeln für ein Chlor- bzw. Brom-Atom (bei den Chlor- bzw. Bromarenen oder für eine Methylgruppe (bei den entsprechenden strukturanalogen-nichtisoelektronischen Verbindungen).
Unter strukturanalogen-nichtisoelektronischen Verbindungen sollen hier Verbindungen mit gleichem Strukturaufbau (die an der gleichen Stelle einen Substituenten tragen, das heißt strukturanalog sind) verstanden werden, die zwar die gleiche Raumerfüllung wie das verwertbare Substrat der \nzucht (d. h. 3-Chlorbenzoat), jedoch verschiedene Polaritäten ( = verschiedenen elektronischen Charakter) aufweisen und daher als nichtisoelektronisch bezeichnet werden.
COOH
Während die Reaktionsfolge für Verbindungen mit X = CH3 bei den Produkten
(+ )-2,5-Dihydro-4-methyl-5-oxo-furanessig-
säure-(2)bzw.
(+ )-(2,5-Dihydro-2-methyl-5-oxo-furanessig-
säure-(2)
abbricht, ist sie für Verbindungen mit X = Halogen noch Χθ
nicht beendet, weil Halogenid abgespalten wird (Reaktionen 5a und 5b) und Substratverwertung eintritt. Beide strukturanalogen, jedoch nichtisoelektronischen Verbindungen, z. B. 3-Chlorbenzoat und 3-Methylbenzoat durchlaufen die gleichen enzymatischen Schritte solange im wesentlichen sterische Faktoren den Umsatz bestimmen. Auf der Stufe der Halogenid-Abspaltung
kann Methyl nicht isoelektronisch (d.h. als CHje) entfernt werden, was zur Akkumulation und Ausscheidung der entsprechenden Metabolite führt
Die Cooxidation von Naphthalincarbonsäuren) durch Naphthalinsulfonsäuren) verwertende Zellen r> von Pseudomonas testosteron! Stamm A 3 ist der Reaktion 1 in der oben genannten Reaktionsfolge für die Oxidation von 3-subctituierten Benzoaten analog. Aus Naphthalincarbonsäuren) wird eine Verbindung (II) gebildet, die der Ausgangs· Verbindung für Reaktion '» 2a nach dem Schema analog ist:
COOH
CH1
HOUC-CH = CH-C-CHj-COOH OH
Die in reiner Form hergestellte ( + )-2,5-Dihydro-2-methy!-5-oxo-furan-essigsäure-(2) kann als Baustein in Riechstoffpräparationen verwendet werden.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung erläutern.
Beispiel 1
Herstellung von (+ )-2,5-Dihydro-2-methyl-5-oxofuranessigsäure-(2)(I) durch Cooxidation von
4-Methyl-brenzcatechin
Zur Anzucht einer biologisch aktiven Suspension von 3-Chlorbenzoat verwertenden Zellen vom Pseudomonas Stamm B 13 wurden zunächst folgende Stammlösungen erstellt:
l^-Dihydro-cis-l^-dihydroxynaphthalincarbon- 2' säure-(2)
Der Abbau der Naphthalinsulfonsäuren) bzw- die Cooxidation der Naphthalincarbonsäuren) wird durch folgenden Mechanismus beschrieben:
Während bei der Verwertung der Naphthalinsulfonsäuren) das Produkt nach Reaktion 1' für Z = SO3H zur spontanen Eliminierung von SO3H- und Substratverwertung führt, bricht die Reaktion bei der Cooxidation von Naphthalincarbonsäuren) auf der Stufe des Produkts nach Reaktion 1' für Z - COOH ab.
In diesem Falle entsteht ausschließlich die Verbindung II. Die Bildung einer Verbindung analog der Ausgangsverbindung der Reaktion 2b ist nicht möglich.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren in reiner Form hergestellte ( + )-23-Dihydro-2-methyl-5-oxofuran-essigsäure-(2) kann, ohne weitere Abtrennung oder Reinigung von anderen, aus Nebenreaktionen entstandenen Oxidationsprodukten, gemäß der Erfindung zur Herstellung von 4-substituierten 4-Hydroxy-penten-(2)" säuren verwendet werden, wie z. B. zu
CH-,
HOOC —CH = CH-C-Z OH
insbesondere i\n Herstellung von 3-Methyl-3-hydroxybulen-( 1 )-dicarbonsäure-( 1,4)
Stammlösung 1:
7OgNa2HPO4 ■ 12H2O
1OgKH2PO4
in 1000 ml Wasser
Stainmlösung2:
100 g (NH4)2SO4
5,0 g Ca(NO3J2 ■ 4 H2O
1 g Fe(HI)-Ammoniumcitrat 20 g MgSO4 · 7 H2O
100 ml Spurenelementlösung nach N. Pfennig und K. D. Lippert [Arch. MicrobioL, Vol. 55 (1966), Seiten 245 bis 256} allerdings ohne Eisensaize und Äthylendiamintetraessigsäure (EDTA) in 1000 ml wäßriger Lösung.
Stammlösung 3:
156,6 g 3-Chlorbenzoesäure in 1000 n.i wäßriger Lösung, mit NaOH auf pH 7,5 eingestellt.
Das komplette Mineralsalz-Chlorbenzoat-Medium
enthielt im Liter 100 ml der Stammlösung 1 und jeweils 10 ml der Stammlösung 2 und 3.
Pseudomonas-Stamm B 13 wurde in einem 5-Liter-Fermenter angezogen. 31 chlorbenzoat-Mineralsalz-Medium wurden mit 60 ml einer Vorkultur beimpft, weiche in einem 1000-mi-Schikanenkolben auf dem Rundschüttler angezogen wurde (Trübung E546= 1,7 bis 1,8). Die Fermenterkultur wurde bei 300C unter Rühren (600 U/min) mit' 3 l/min belüftet. Nach etwa 10 Stunden Inkubation wurde mit Hilfe einer Schlauchpumpe simultan über drei getrennte Kanäle gleiche Mengen der Stammlösungen 2 und 3 sowie sowie 1 M NaOH-Lösung zugefüttert. Die für die exponentiell wachsende Kultur erforderlichen Fördei-volumina wurden mit Hilfe von Erfahrungswerten aus dem Verhältnis
Mi von Trübung zur vorhandenen Chlorbenzoatkonzentration ermitteit Letztere wurde mit Hilfe der Flüssigkeitschromatographie bestimmt, was vom Zeilpunkt der Probennahme etwa 15 Min. erforderte. Es wurden anfangs 0,1 zuletzt 1,2 ml Medium pro Min. zugepumpt,
οι wobei die 3-Chlorbenzoat-Konzentration zwischen 1,0 und 5mM schwankte. Bei einer Trübung von E54S >b wurde die LL''zufuh·- auf 8 l/min erhöht und die Schaumbildung durch Eindosieren von ca. 0,02 l/min
η Octanol zurückgedrängt.
Durch kontinuierliches Nachfüttern vnn 3-Chlorbenzoat wurde über 20 Std. hinweg ein nahezu cvponentielles Wachstum beobachtet. Mit 90 mmol Chlorbc-nzoat/l wurde schließlich eine Zelldichte entsprechend einer Trübung von Estf,nm=l2.5 erreicht. Zur Cooxydation von 4-Methylbrenzcatechin wurde, da die Zellen in Abwesenheit von Substrat rasch an Aktivität verlieren, vordem vollständigen Verbrauch des 3-Chlorbenzoates 4-Methylbrenzeatechin der Fermenterkultur zugefügt.
Wegen der Toxizität des Methylbrenzcatechins wurde dieses als IO%ige Lösungen kontinuierlich mittels Schlauchpumpe (etwa 1.3 ml/Min.) eingespeist, wobei eine Akkumulation in der Kulturflüssigkeit vermieden wurde.
Das Methylbrcn/catechin wurde mit so hoher Geschwindigkeit umgesetzt, daß in Proben, welche 1 Minute nach Substratzugabe genommen wurden, das Substrat mit Hilfe der Flüssigkeitschromatographie lediglich gerade noch nachweisbar war.
Vorübergehend wunii· ein micnsivci Signal beobachtet, w-elches die Ausscheidung von 3-Methylmuconsäure anzeigte (Amax 272 nm bei Registrierung in situ).
Zur Gewinnung des l.aet<>ns wurden die Zellen durch Zentrifugation abgetrennt und die Kulturflüssigkeit im Rotationsverdampfer ,mf etwa 300 ml eingeengt. Beim Ansäuern mit Salzsäure auf pH 2.0 und Kühlen im Eisbad kristallisierte die Hauptmenge des Lactons aus.
Das in der Mutterlauge noch verbleibende Produkt wurde mit 1000 ml -\:her ausgeschüttelt. Der nach Trocknen über MgSO1 und Abdampfen des Äthers verbleibende teilweise ölige, leicht braun gefärbte Rückstand wurde mit warmem Methylethylketon extrahiert. Beim Kühlen (ca. —20 C) kristallisierte das Lacton. Mit Hilfe präparativer Schichtehrcmatographie auf Kieselgel im Fließmittelsystem Diisopropyl-Ameisensäure-Wasser. 200 : 7 : 3 (v/v/v) und Extraktion der im Durchlicht transparent erscheinenden Banden ließen sich auch die im VkV.läthvlketon verbleibenden Reste des Lacions rein gewinnen. j
4-Meth>!brenzcatechin wurde mit sehr hoher Ausbeute, nämlich mit 93% der theoretisch möglichen, in (■*■ )-2.5-Dihydro-2-meth\l-5-o\o-furanessigsäure-(2) (I) umgewandelt.
Die Produkte wurden mittels UV-Spektren sowie : durch flüssigkeitschromatographische Eigenschaften identifiziert. Im Gegensat/ zum Lacton aus der Reaktion 4a gibt I auf der Kieselgelschicht (Rf 0.27) erst nach längerem Stehenlassen eine positive Legalprobe.
Die Verbindung kristallisiert aus Diisopropyläther in ' feinen farblosen Nadeln von Schmp. 49 bis 5PC Die Elementaranalyse entspricht der Bruttoformel CrH8O1: C 53.85'%. H 5.16%: gefunden: C 53,94%; H 535%:
Das Absorptionsmaximum des UV-Spektrums von (I) :
liegt unterhalb 210 nm; Ejionm · 6650. Die optische Drehung in 1% wäßriger Lösung betrug [α] 38"+2. Im IR-Spektrum (CHCI)) wird neben einer Schulter bei 1730 (COOH) eine intensive, der ^-ungesättigten y-Laktonstruktur entsprechende yC = O-Bande bei 1760 cm - ' gefunden.
Beispiel 2
Herstellung von l^-Dihydro-cis-l^-dihydroxy-
naphthalin-2-carbonsäuremethylester (II) durch
Cooxidation von Naphthalincarbonsäuren)
Pseudomonas- tes-tnsteroni Stamm A3 wurde in einem lO-L.iter-Fermente auf dem im Beispiel I beschriebenen Mineralmcdium (Stammlösung 1 und 2). das I g/l Naphthalinsulfonsäuren) als Kohlenstoffquelle enthielt, angezogen. Die Verwertung des Substrates wurde mit Hilfe der Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie verfolgt. Bevor die Naphthalinsulfonsäuren) vollständig verbraucht war, wurde eine konzentrierte Nährlösung (20 g Naphthalinsulfonsäuren) und 10 g NH.Nn, gelöst in 500 ml 8OmM Phosphatpuffer. pH 7.4) kontinuierlich über eine Schlauchpumpe nachgefüttert. Sobald der pH-Wert der Kulturflüssigkeit den Wert von 6.7 unterschritt, wurde durch Zugabe von 1 N NaOH auf pH 7.3 neu eingestellt. Bei einer Zelldichte entsprechend Eye 2.63 wurden 700 mg Naphthalincarbonsäuren) m die Kulturflüssigkeit eingetragen. Die Bildung des Oxidationsproduktes konnte mit der HP! .C verfolgt werden ur,,i war nach 3 Stunden beendet. Die Zollen wurden abzentrifugiert und der Überstand am Rotationsverdampfer bei 40° auf ca. '/«> des ursprünglichen Volumens eingeengt. Nach Abkühler, auf O0C wurde mit 80%iger H)PO1 auf pH 2,0 angesäuert und mit dem 50fachen Volumen F.ssigsäureäthylester extrahiert. Nach Filtration über MgSO4 wurde das Oxidationsprodukt im gleichen Lösungsmittel mit ätherischer Diazomethan-Lösung in den stabileren Methylester überführt. Nach vollständigem Abdampfen der Lösungsmittel wurde der Rückstand in heißem Benzin (Siedebereich 60-80cC) aufgenommen. Beim Abkühlen kristallisierte der 1.2-Dihydro-l,2-dihydronaphthalin-2-carbonsäuremethylester aus. Umkristallisieren aus dem gleichen Lösungsmittel lieferte farblose Nadeln vom Schmelzpunkt 124" C. Ausbeute an Reinprodukt 728 mg (81.4% der Theorie). Umsatz nach Flüssigkeitschromatographie praktisch 100%.
Der Molekülpeak unter Hochauflösung, M' =220,0740. korreliert mit der Bruttoformel C12Hi2O4 (berechnet: 220,0736). Das UV-Spektrum zeigt ein Absorptionsmaximum bei 263 nm, ε 8450. Im IR-Spektrum findet man eine Estercarbonylbande bei 1740 cm -' und OH-Absorptionsbanden bei 3480 .,nd 3520 cm-'.

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zur Herstellung von (-|-)-2,5-Djhydro-2-methyI-5-QXo-furan-essigsäure-(2) der Formel
    JX
    (D
    CH1-COOH
DE2548454A 1975-10-29 1975-10-29 Verfahren zur Herstellung von (+)-2,5-Dihydro-2-methyl-5-oxo-furan-essigsäure-(2) oder von 1,2-Dihydro-cis-1,2-dihydroxy-naphthalincarbonsäure-(2) Expired DE2548454C2 (de)

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