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Verfahren zur -Herstellung von Biotin sowie neue Ausgangsverbindungen
für dieses Verfahren Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von (+)
-Biotin ausgehend von 2-Formyl-3,4-diamino-thiophenderivaten der allgemeinen Formel
I
in der R1 bis R4 gleich oder verschieden sind und H oder eine durch saure oder basische
Hydrolyse oder durch Hydrogenolyse abspaltbare übliche Aminoschutzgruppe bedeuten,
oder R1 und R3 zusammen für -C0- stehen können, als neuen Ausgangsverbindungen.
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Als übliche abspaltbare Aminoschutzgruppen verstehen wir insbesondere
Alkyl-, Trialkylsilyl-, Acyl- oder Garbamoylgruppen.
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Biotin ist eines der für die menschliche Ernährung essentiellen Vitamine
(Vitamin H). Physiologisch wirksam ist Jedoch nur eines der 8 möglichen Stereoisomeren,
das die in Formel 1 abgebildete absolute Konfiguration besitzt.
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Wie alle anderen Biotin Synthesen besitzt auch die technisch bedeutendste
Synthese, die von Goldberg und Sternbach entwickelt wurde (s. US-PS 2 489 232; US-PS
2 489 235 und US-PS 2 489 238), den Nachteil einer sehr hohen Stufenzahl. Die zahlreichen
Syntheseschritte sind im wesentlichen bedingt durch die erforderliche all-cis-Anordnung
der Substituenten in 1, die nur durch komplizierte Verfahren zu erreichen ist. Ausgehend
von einem aromatischen Vorprpdukt läßt sich die Stufenzahl wesentlich verringern,
da die all-cis-Geometrie durch eine einzige Operation, die Hydrierung des Aromaten
erreicht werden kann.
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In der Vergangenheit ist ein solcher Weg bereits beschritten worden
(s. B. Fabrichnyi, J. Shalavina und Y. Goldfarb, Dokl. Adad. Nauk SSR 162 (1965)
120), Jedoch waren die Ausgangsstoffe nur umständlich und in schlechter Ausbeute
darstellbar. Außerdem scheiterten die meisten Arbeiten an dr Hydrierung der entsprechenden
Thiophenderivate, weil Thiophenverbindungen bekanntermaßen als Katalysatorgifte
wirken (s. Advances in Catalysis Vol. 27 (1978) 295 ff).
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Uns ist es nun gelungen, eine Reihe von neuen Thiophenderivaten zu
finden, die einersetis auf einfache Weise erhalten werden können und andererseits
einen besonders günstigen Zugang zu Biotin eröffnen. Weiterhin können die neuen
Thiophenderivate als Zwischenprodukte für Pharmaka und Farbstoffe Verwendung finden.
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'Gegenstand der Erfindung ist neben den neuen Ausgangsverbindungen
der allgemeinen Formel I ein Verfahren zur Herstellung von (+)-Biotin, dadurch gekennzeichnet,
daß man A) neue 2-Formyl-3,4-diamino-thiophenderivate der allgemeinen Formel I
in der R1 bis R4 gleich oder verschieden sind und H oder durch saure oder basische
Hydrolyse oder durch Hydrogenolyse abspaltbare übliche Amlnoschutzgruppen, insbesondere
Alkyl-, Trialylsilyl-, Carbamoyl- oder Acylgruppen bedeuten, oder R1 und R3 zusammen
für -CO- stehen, unter den Bedingungen einer Wittig-Reaktion mit einem Phosphoran
der Formel II
in der die gestrichelte Linie eine weitere Bindung zwischen den benachbarten C-Atomen
bedeuten kann und R5 für nieders Alkyl, Triarylsilyl oder Acyl steht, umsetzt, B)
die erhaltenen neuen 5-(3,4-Diaminothienyl)-pentensäure- bzw. -pentadiensäurederivate
der allgemeinen Formel III
in an sich bekannter Weise hydriert, C) aus dem erhaltenen Tetrahydrothiophenderivat
der allgemeinen Formel IV
die Schutzgruppen R1 bis R4 durch Verseifung oder Hydrogenolyse abspaltet und D)
ggf. das intermediär gebildete Diaminderivat durch Umsetzen mit Phosgen in Biotin
überführt.
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Eine ebenfalls sehr vorteilhafte Variante des beschriebenen Verfahrens
ist dadurch gekennzeichnet, daß man in Schritt B) die erhaltenen neuen 5-(3,4-Diamino-thienyl)--pentensäure-
bzw. -pentadiensäurederivate der allgemeinen Formel III zunächst unter relativ milden
Hydrierbedingungen nur bis zu Thiophenderivaten der Formel V hydriert
'C' aus diesen Thiophenderivaten die Schutzgruppen R1 bis R4 gemäß
Anspruch 1 abspaltet, D' das gebildete Diaminderivat durch Umsetzen mit Phosgen
in das sogenannte "aromatische Biotin" der Formel VI
überführt, welches dann in bekannter Weise zu Biotin hydriert werden kann.
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Die neuen Ausgangsverbindungen der Formel I können auf relativ einfache
Weise aus den neuen 3,4-Diamino-thiophenderivaten der allgemeinen Formel VII
in der R1 bis R4 die oben angegebene Bedeutung haben und R6 für niederes Alkyl,
Benzyl oder Trialkylsilyl steht, hergestellt werden, indem man diese mit komplexen
Hydriden wie BH3> LiAlH4, NaAl2(0CH2CH20CH3)2, NABE4 oder HAL(i-butyl)2 in inerten
Lösungsmitteln wie Ethern, aromatischen Kohlenwasserstoffen, Wasser oder Alkoholen
bei (-80) bis +500C, vorzugsweise (-20) bis +10°C, direkt zur entsprechenden Formylverbindung
reduziert oder aber zunächst durch Reduktion mit komplexen Hydriden in die entsprechenrde
Hydroxymethylverbindung
überführt und diese in an sich bekannter Weise mit Oxidationsmitteln wie K2Cr207,
KMnO4 oder 0, 2 in einem inerten Lösungsmittel oxidiert. Die zweistufige Darstellungsweise
wird im allgemeinen bevorzugt.
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Die Thiophenderivate der Formel VII ihrerseits können beispielsweise
aus 3-Amino-2-carbalkoxy-thiophenderivaten durch Nitrieren, Isolieren des hierbei
als Hauptprodukt erhaltenen 4-Nitro-Isomeren und Reduktion der Nitrogruppe mit für
solche Reduktionen üblicherweise verwendeten Reduktionsmitteln, wie komplexen Hydriden
oder Wasserstoff, erhalten werden.
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Die Phosphorane der Formel II sind bekannte Verbindungen, die beispielsweise
nach einem von E. Buchta et al (vgl.
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Chem. Ber. 72 (1959), S. 3111-3116) beschriebenen Verfahren erhalten
werden können. Die Wittig-Reaktion mit den Phosphoranen wird üblicherweise in einem
inerten Lösungsmittel wie Ethern, aromatischen Kohlenwasserstoffen, Halogenkohlenwasserstoffen
oder Alkoholen, bei (-10°C) bis zum Siedepunkt des Lösungsmittels, vorzugsweise
bei O bis 300C durchgeführt.
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Durch Variatipn der Phosphorankomponente können auch auf diesem Wege
eine größere Vielzahl von Biotin-Analogen, die eine von Biotin unterschiedliche
Seitenkette besitzen, dargestellt werden; die Darstellung solcher Biotin-Analoga
besitzt Interesse hinsichtlich pharmazeutischer Wirkungen solcher Analoga.
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Die Hydrierung der Verbindungen der Formel III zu den Tetrahydrothiophenderivaten
der Formel IV erfolgt in inerten Lösungsmittel wie Ethern, aromatischen Kohlenwasserstoffen,
Halogenkohlenwasserstoffen, Alkoholen, Essig-
'säure oder in Essigsäureanhydrid.
Dabei wurde überraschenderweise gefunden, daß diese Hydrierung (bei der Thiophenderivate
der Formel V als Zwischenprodukte isoliert werden können) bei vergleichsweise milden
Bedingungen mit recht guten Ausbeuten verläuft.
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Die Hydrierung wird im allgemeinen bei einem H2-Druck von 0 20 bis
150 bar und einer Temperatur von 50 bis 200 C, vorzugsweise bei 50 bis 1500G in
Gegenwart von Edelmetallkatalysatoren, wie Pt, Pd, Rh, Ru, PdS, RuS, vorzugsweise
Pd, durchgeführt.
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Bei dieser Hydrierung wird das gewünschte Hydrierungsprodukt der
Formel IV in all-cis-Form in guter Ausbeute erhalten, wohingegen Nebenprodukte wie
entschwefelte oder teilhydrierte Verbindungen nur in geringer Menge auftreten. Diese
gute Hydrierbarkeit war besonders überraschend, da die Wirkung von Thiophenen als
Katalysatorgift allgemein bekannt ist (-s. Advances in Catalysis Vo. 27 (1978),
S. 295 ff) und ihre erfolgreiche Hydrierung auch in der neuesten Literatur nur für
ein spezielles Substrat beschrieben wurde (s. Helv. Chim. Acta 59 (1976) S. 1005).
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Die durch Verseifung oder Hydrogenolyse erfolgende Abspaltung der
Schutzgruppen ist eine bekannte Reaktion, die auf übliche Weise vorgenommen wird,
so daß sich detailierte Angaben an dieser Stelle erübrigen. Ausführliche Angaben
über die Einführung und Abspaltung von Aminoschutzgruppen finden sich beispielsweise
bei J. McOmie "Protective Groups in Org. Chem.", Plenum Press N.V., 1973, S. 43
ff.
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Die Carbonylierung von Diaminothiophenen oder Diaminothiophanen zu
Biotin erfolgt im allgemeinen analog zu den Vorschriften von Oheeney et. al. in
J. Am. Chem. Soc. 67, (1945), 5. 731, d.h. das Diamino-Derivat wird in einem
basischen
Lösungsmittel wie wäßriger NaOH- oder NaH0O3 -Lösung oder Pyridin gelöst und diese
Lösung mit Phosgen versetzt. Anstelle von Phosgen können auch andere Carbonylierungsmittel,
wie Chlorameisensäureester, verwendet werden. Beim Arbeiten mit Diaminothiophenen
muß auf Ausschluß von O2 geachtet werden, da sie sehr oxidationsempfindlich sind.
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Die Hydrierung der 5-(3,4-Diamino-thienyl)-pentensäure-bzw. -pentadiensäurederivate
der allgemeinen Formel III zu den Thiophenderivaten der Formel V kann mit allen
üblicherweise für Olefinhydrierungen verwendeten Katalysatoren vorgenommen werden.
Dabei müssen die Reaktionsbedingungen in Abhängigkeit vom Jeweils verwendeten Katalysator
so gewählt werden, daß noch keine Aromatenhydrierung auftritt. Die Hydrierung wird
im allgemeinen in inerten Lösungsmitteln bei einem Wasserstoffdruck von 1 bis 20
bar, vorzugsweise 1 bis 10 bar und einer Reaktionstemperatur von 0 bis 1000C, vorzugsweise
10 bis 500C, durchgeführt. Bezüglich näherer Ausführungen über Olefin, hydrierungen
verweisen wir beispielsweise auf P. Rylander, "Catalytic Hydrogenation in Organic
Chemistry" Academic Press, N.Y. 1979.
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Das nur in der Seitenkette hydrierte Thiophenderivat der Formel V
wird analog zu der Weiterverarbeitung des Tetrahydrothiophenderivats durch Verseifen
oder Hydrogenolyse der Schutzgruppen R1 bis R4 und Umsetzen mit Phosgen in das sogenannte
aromatische Biotin" überführt, dessen Hydrierung zu (+)-Biotin gemäß dem Verfahren
in Helv.
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Chim. Acta 59 (1976) SO 1005 vorgenommen werden kann. Die Racematspaltung
von (+)-Biotin zu (+)-Biotin ist in J.
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Amer. Chem. Soc. 67 (19453, S. 2100 beschrieben.
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Tas erfindungsgemäße Verfahren eröffnet eine vorteilhafte Synthese
von (+)-Biotin ausgehend von neuen 3,4-Diamino-thiophenderivaten und über neue 3
3,4-Diamino-thiophenderivate.
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Beispiel 1 a) Herstellung von 3,4-Di-(N-benzoylamino)-2-hydroxymethyl-thiophen
Zu einer Lösung von 7,6 g (20 mMol) 3;4-D-(N-benzoylamino)-2-carbomethoxy-thiophen
in 100 ml absolutem Tetrahydrofuran (THF) werden bei OOC binnen 30 min.
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2,8 g (75 mMol) LiAlH4 gegeben.
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Nach 16 Stunden bei -200C wird mit weiteren 0,5 g LiAlH4 versetzt,
1 Stunde bei 0°G nachgerührt und unter Kühlung mit einem Überschuß Na2S04 . 10 H2
0 bis zum Ende der Wasserstoffentwicklung versetzt. Der Feststoff wird abfiltriert,
mit Ether nachgewaschen und die Filtrate werden eingeengt. Man erhält 5,23 g (75
% d.Th.) des neuen 3,4-Di-(N-benzoylamino)-2 -hydroxymethyl-thiophen vom Fp.: 199
bis 2200C.
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b) Herstellung von 3,4-Di-(N-benzoylamino)-2-formyl-thiophen In eine
Lösung von 45,0 g (128 mMol) eines gemäß Beispiel la erhaltenen Alkohols in 350
ml Chloroform werden binnen 45 Min. 70 g Pyridiniumchlorochromat eingetragen. Es
wird 2,5 Stunden bei O bis 5°C und 1,5 Stunden bei Raumtemperatur gerührt, von Niederschlag
abfiltriert und der Rückstand mehrmals mit Chloroform ausgewaschen. Die organischen
Phasen werden 4 x mit gesättigter NaCl-Lösung gewaschen,
getrocknet
und eingeengt. Man erhält 35,9 g (80 % d.Th.) 3,4-Di-(N-benzoylamino)-2-formyl-thiophen
vom Fp. 179 bis 1810C.
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c) Herstellung von 5-(3,4-Di-N-benzoylamino-thienyl)--penta-2,4-diensäure-methylester
4,0 g (10,6 mMol) des gemäß Beispiel 1b erhaltenen Aldehyds werden mit 5,0 g (13,9
mMol) [3-Carbomethoxy-2-propen-1-yliden] -triphenyl-phosphoran (dargestellt gemäß
Chem. Ber. 72 (1959) 3115) in 100 ml Toluol 1 Stunde bei 600C gerührt. Anschließend
wird auf 0°C abgekühlt und das ausgefallene Rohprodukt abgenutscht. Man erhält 1,4
g Feststoff. Durch Versetzen mit Ethanol kann weiteres Produkt aus der toluolischen
Lösung gefällt werden. Man erhält so insgesamt 4,16 g (91 % d.Th.) 5-(3,4-Di-N-benzoylamino-thienyl)-penta-2>4-diensäure-methylester
als cis/trans-Isomerengemisch. Durch dünnschichtchromatographische Analyse konnten
keine Verunreinigungen festgestellt werden. Fp. 236 bis 2370C.
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d) Herstellung von 5-(3,4-Di-N-benzoylamino-thienyl)--pentansäuremethylester
10,0 g (23,1 mMol) des gemäß Beispiel 1c erhaltenen Olefins werden mit 7,5 g Pd/Kohle
(5 %) in 750 ml THF bei Normaldruck und 55°C hydriert. Nach beendeter Wasserstoffaufnahme
wird vom Katalysator abfiltriert, mit heißem THF nachgewaschen und eingeengt. Man
erhält 9,85 g (97 % d.Th.) 5-(3,4-Di-N-benzoylamino--thienyl)-pentansäuremethylester
vom Fp. 149 bis 15100.
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'e) Herstellung von "aromatischem Biotin" 240 mg (0>55 mMol) des
gemäß Beispiel 1d erhaltenen Produktes werden mit 2,5 g Kaliumhydroxid in 13-ml
absolutem Methanol 12 Stunden in einer Argon-Atmosphäre auf 120 bis 13500 erhitzt.
Unter Argon wird eingeengt, mit 20 ml Wasser versetzt und in diese Lösung unter
Eiskühlung Phosgen eingeleitet bis zu einem pH-Wert von.3 bis 4. Der ausgefallene
Niederschlag wird abgetrennt, mit Wasser und Ether gewaschen und im Vakuum getrocknet.
Man erhält 95 mg (72 % d.Th.) des sogenannten "aromatischen Biotins", das aus Wasser
umkristallisiert wird. Fp. 225 bis 230°C.
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Beispiel 2 250 mg (0,56 mMol) des gemäß Beispiel lc erhaltenen Thiophen-Derivates
werden mit 1,5 g Pd/Kohle (10 %) in 50 ml Essigsäure bei 100 bar H2 und 900C 10
Stunden hydriert. Es wird vom Katalysator abfiltriert und eingeengt. Man erhält
so 230 mg (90 % d.Th.) 5-(3,4-Di-N-benzoylamino-thienyl)--pentansäuremethylester.
Das Produkt zeigt bei dünnschichtchromatographischer Untersuchung keinerlei Verunreinigungen.
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C24H32N202S (MG 412,59): Ber.: C 69,86 H 7,82 N 6,79 0 7,76 s 7,77
GeS.: C 69,81 H 7,70 N 6,55 0 7,85 s 7,60
'Beispiel 3 a) Herstellung
von 5-(3,4-Di-benzoylamino-tetrahydrothienyl)-pentansäuremethylester 432 mg des
gemäß Beispiel 1c erhaltenen Thiophenderivates werden mit 2 g Pd/Kohle (5 %) in
100 ml THF 20 Stunden bei 100°C und 100 bar H2, danach 10 Stunden bei 1200C/120
bar hydriert. Nach Abfiltrieren des Katalysators wird das erhaltene Rohprodukt über
Kieselgel mit Toluol/Essigsäure (80/20) gereinigt.
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Man erhält 259 mg (60 % d.Th.) 5-(3,4-di-benzoylamino--tetrahydrothienyl)-pentansäuremethylester.
Fp. 149 bis 151°C.
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b) Herstellung von (+)-Biotin 50 mg (0,114 mMol) des gemäß Beispiel
3a erhaltenen Produktes werden mit 0,5 g Ba(OH)2 und 5 ml Wasser 15 Stunden auf
14000 erhitzt; es wird auf pH 6 bis 7 mit verdünnter 112 SO4 angesäuert und vom
ausgefallenen Niederschlag abzentrifugiert. Die erhaltene Lösung wird 4 x mit Ether
extrahiert und die wäßrige Phase mit 0,5 g Na CO versetzt. Anschließend wird in
die wäßrige alkalische Lösung Phosgen bis pH = 5 eingeleitet, der ausgefallene Niederschlag
wird abfiltriert, mit eiskaltem Wasser und Ether gewaschen und getrocknet. Man erhält
20 mg (71 % d.Th.) (+)-Biotin vom Fp.
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228 bis 23500.