DE60211677T2

DE60211677T2 - Verfahren zur herstellung von 2-hydroxymethyl-pyrolidin-3,4-diolen

Info

Publication number: DE60211677T2
Application number: DE60211677T
Authority: DE
Inventors: Ulrich KÄMPFEN; Maria Eva URBAN; Ulrich Claus JESSEN; Martin Clausen
Original assignee: Lonza AG
Current assignee: Lonza AG
Priority date: 2001-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2006-12-28
Anticipated expiration: 2022-03-20
Also published as: WO2002074737A2; DK1379676T3; ATE327220T1; WO2002074737A3; EP1379676B1; AU2002254959A1; US20090155862A1; DE60211677D1; EP1379676A2; JP4083586B2; JP2004532016A; US20040185539A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von 2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diolen, ein Verfahren zur Herstellung von N-Formyl-5-amino-5-desoxypentulosen sowie die Verbindungen N-Formyl-1-amino-1-desoxy-D-arabinitol und N-Formyl-1-amino-1-desoxy-L-arabinitol.
Bei den polyhydroxilierten Pyrrolidinen handelt es sich um eine Klasse von Glykosidaseinhibitoren. (2R,3R,4R)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol hemmt mehrere α- und β-Glukosidasden und Mannosidasen mit ID₅₀-Werten von unter 10 μM (Hung et al., J. Org. Chem. 1991, 56, 3849–3855). Von seinem Enantiomer (2S,3S,4S)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol wurde gezeigt, daß es die α-Glykosidase von Hefe inhibiert. (Fleet et al., Tetrahedron Lett. 1985, 26, 3127–3130).
Fleet et al. (Tetrahedron Lett. 1985, 26, 3127–3130) beschreiben die Herstellung von (2R,3R,4R)- und (2S,3S,4S)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol aus D-Xylose. Die Nachteile beider Synthesen sind, daß sie eine große Anzahl von Schritten umfassen und die Gesamtausbeuten niedrig sind.
Hung et al. (J. Org. Chem. 1991, 56, 3849–3855) beschreiben die Herstellung von (2R,3R,4R)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol aus 3-Azidopropenylbenzol. Durch Ozonolyse von 3-Azidopropenylbenzol und anschließende enzymatisch katalysierte Aldolkondensation des erhaltenen Azidoacetaldehyds mit Dihydroxyacetonphosphat, gefolgt von Dephosphorylierung, erhält man 5-Azido-5-desoxy-D-xylulose, die in Gegenwart von Palladium zu (2R,3R,4R)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol hydriert wird. Ein Nachteil der Synthese ist, daß die Hydrierung mit einer großen Menge an Katalysator durchgeführt wird.
In der EP 0 624 652 A1 wird die Herstellung von 2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diolen und N-substituierten Derivaten davon beschrieben. 2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol wird durch mikrobielle Oxidation von N-Benzyl-1-amino-1-desoxy-arabinitol mit Mikroorganismen der Gattungen Gluconobacter oder Corynebacterium und anschließende Hydrierung mit Palladium als Katalysator hergestellt. N-Benzyl-1-amino-1-desoxy-arabinitol läßt sich aus Arabinose und Benzylamin herstellen. Die Nachteile der Herstellung von 2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol sind, daß die mikrobielle Oxidation das Oxidationsprodukt in niedriger Volumenausbeute liefert und daß die katalytische Hydrierung mit großen Mengen an Katalysator durchgeführt wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein ökonomisches Verfahren zur Herstellung von 2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diolen bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines ökonomischen Verfahrens zur Herstellung von N-Formyl-5-amino-5-desoxypentulosen und die Bereitstellung neuer N-acylierter 1-amino-1-desoxyarabinitole.
Diese Aufgaben werden durch die Verfahren gemäß Ansprüchen 1, 12 und 17 und durch die Verbindungen gemäß Ansprüchen 22 und 23 gelöst.
Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Herstellung von 2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diolen handelt es sich um ein Verfahren, bei dem man

a) ein N-geschütztes Aminotetraol der Formel
oder ein Salz davon, wobei R¹ für H, substituiertes oder unsubstituiertes C_1-4-Alkyl, substituiertes oder unsubstituiertes C_2-4-Alkenyl oder OR² steht, wobei R² für unsubstituiertes C_1-4-Alkyl steht, mit einem Mikroorganismus oder einem zellfreien Extrakt davon zur entsprechenden N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose der Formel
oxidiert, wobei R¹ wie oben definiert ist,
b) die N-Schutzgruppe der N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose (II) entfernt, was die entsprechende 5-Amino-5-desoxypentulose der Formel
liefert, und
c) diese 5-Amino-5-desoxypentulose (III) katalytisch zum entsprechenden (2R)- und/oder (2S)-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol der Formel
hydriert.

Die Sternchen in den Formeln I, II, III, IV und V bezeichnen chirale Kohlenstoffatome mit definierter Konfiguration.
N-geschützte Aminotetraole werden ausgewählt aus der aus N-geschützten 1-Amino-1-desoxy-D-arabinitolen, N-geschützten 1-Amino-1-desoxy-L-arabinitolen, N-geschützten 1-Amino-1-desoxy-D-ribitolen, N-geschützten 1-Amino-desoxy-L-ribitolen, N-geschützten 1-Amino-1-desoxy-D-xylitolen, N-geschützten 1-Amino-1-desoxy-L-xylitolen und N-geschützten 1-Amino-1-desoxy-D-lyxitolen und N-geschützten 1-Amino-1-desoxy-L-lyxitolen bestehenden Gruppe.
Bevorzugte N-geschützte Aminotetraole sind N-geschützte 1-Amino-1-desoxy-D-arabinitole und N-geschützte 1-Amino-1-desoxy-L-arabinitole, vorzugsweise N-Formyl-1-amino-1-desoxy-D-arabinitole und N-Formyl-1-amino-1-desoxy-L-arabinitole.
Besonders bevorzugte N-geschützte Aminotetraole sind N-geschützte 1-Amino-1-desoxy-D-arabinitole, vorzugsweise N-Formyl-1-amino-1-desoxy-D-arabinitole.
Salze N-geschützter Aminotetraole sind beispielsweise die Salze, die gebildet werden, wenn man N-geschützte Aminotetraole mit starken Mineralsäuren wie HCl behandelt.
Bei der N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose, die N-geschütztem 1-Amino-1-desoxy-L-ribitol und N-geschütztem 1-Amino-1-desoxy-o-lyxitol entspricht, handelt es sich um N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-D-ribulose. Bei der N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose, die N-geschütztem 1-Amino-1-desoxy-D-ribitol und N-geschütztem 1-Amino-1-desoxy-L-lyxitol entspricht, handelt es sich um N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-L-ribulose. Bei der N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose, die N-geschütztem 1-Amino-1-desoxy-L-arabinitol und N-geschütztem 1-Amino-1-desoxy-L-xylitol entspricht, handelt es sich um L-Xylulose. Bei der N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose, die N-geschütztem 1-Amino-1-desoxy-D-xylitol und N-geschütztem 1-Amino-1-desoxy-N-arabinitol entspricht, handelt es sich um N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-D-xylulose.
Bei der 5-Amino-5-desoxypentulose, die N-geschützter 5-Amino-5-desoxy-D-ribulose entspricht, handelt es sich um 5-Amino-5-desoxy-D-ribulose. Demgemäß entspricht 5-Amino-5-desoxy-L-ribulose N-geschützter 5-Amino-5-desoxy-L-ribulose, 5-Amino-5-desoxy-L-xylulose entspricht N-geschützter 5-Amino-5-desoxy-L-xylulose und 5-Amino-5-desoxy-D-xylulose entspricht N-geschützter 5-Amino-5-desoxy-D-xylulose.
Bei dem (2R)- und/oder (2S)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol, das 5-Amino-5-desoxy-D-ribulose entspricht, handelt es sich um (2R,3S,4R)- und/oder (2S,3S,4R)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol. Demgemäß entspricht (2R,3R,4S)- und/oder (2S,3R,4S)-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol 5-Amino-5-desoxy-L-ribulose, (2R,3S,4S)- und/oder (2S,3S,4S)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol entspricht 5-Amino-5-desoxy-L-xylulose und (2R,3R,4R)- und/oder (2S,3R,4R)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol entspricht 5-Amino-5-desoxy-D-xylulose.
C_1-4-Alkyl kann verzweigt oder geradkettig sein und durch wenigstens eine Hydroxylgruppe und/oder ein Halogenatom substituiert sein. Bei den Halogenatomen kann es sich um Fluor, Chlor, Brom oder Iod handeln. Beispiele für unsubstituiertes C_1-4-Alkyl sind Methyl, Ethyl, Propyl, Isopropyl, Butyl, Isobutyl und tert.-Butyl. Die entsprechenden N-Schutzgruppen für R¹, wenn es sich dabei um unsubstituiertes C_1-4-Alkyl handelt, sind Acetyl, Propanoyl, Butanoyl, Isobutanoyl, Pentanoyl, Isopentanoyl und 2,2-Dimethylpropanoyl (Pivaloyl). Die entsprechenden N-Schutzgruppen für R¹, wenn es sich dabei um OR² handelt und R² für unsubstituiertes C_1-4-Alkyl steht, sind Methoxycarbonyl, Ethoxycarbonyl, Isopropoxycarbonyl, Butoxycarbonyl, Isobutoxycarbonyl und tert.-Butoxycarbonyl. Beispiele für substituiertes C_1-4-Alkyl sind Chlormethyl, Dichlormethyl, Trichlormethyl, Fluormethyl, Difluormethyl, Trifluormethyl, Hydroxymethyl und 1-Hydroxyethyl. Die entsprechenden N-Schutzgruppen für R¹, wenn es sich dabei um substituiertes C_1-4-Alkyl handelt, sind Chloracetyl, Dichloracetyl, Trichloracetyl, Fluoracetyl, Difluoracetyl, Trifluoracetyl, Hydroxyacetyl und 2-Hydroxypropanoyl.
C_2-4-Alkenyl kann verzweigt oder geradkettig sein und durch wenigstens eine Hydroxylgruppe und/oder ein Halogenatom substituiert sein. Bei den Halogenatomen kann es sich um Fluor, Chlor, Brom oder Iod handeln. Beispiele für unsubstituiertes C_2-4-Alkenyl sind Ethenyl, 1-Propenyl, 2-Propenyl, 1-Methyl-2-propenyl, 2-Methyl-1-propenyl, 1-Butenyl, 2-Butenyl und 3-Butenyl. Die entsprechenden N-Schutzgruppen für R¹, wenn es sich dabei um C_2-4-Alkenyl handelt, sind Acryloyl, Crotonoyl, 3-Butenoyl, 2-Methyl-3-butenoyl, 3-Methyl-2-butenoyl, 2-Pentenoyl, 3-Pentenoyl und 4-Pentenoyl. Beispiele für substituiertes C_2-4-Alkenyl sind 1-Chlorethenyl und 2-Chlorethenyl. Die entsprechenden N-Schutzgruppen für R¹, wenn es sich dabei um substituiertes C_2-4-Alkenyl handelt, sind 2-Chloracryloyl und 3-Chloracryloyl.
Handelt es sich bei R¹ um H, so ist die entsprechende N-Schutzgruppe Formyl.
Vorzugsweise steht R¹ für H oder substituiertes oder unsubstituiertes C_1-2-Alkyl. Besonders bevorzugt steht R¹ für H.
Die Formylschutzgruppe hat den Vorteil, daß sie für eine hohe Löslichkeit des N-geschützten Aminotetraols in wäßrigem Medium sorgt. Die biologische Oxidation läßt sich somit bei hohen Konzentrationen an N-Formylaminotetraol durchführen, wodurch man eine hohe Volumenausbeute von N-Formyl-5-Amino-5-desoxypentulose erhält. Bei der biologischen Oxidation von N-Formyl-1-Amino-1-desoxy-D-arabinitol lassen sich Volumenausbeuten an N-Formyl-5-amino-5-desoxy-D-xylulose von bis zu 200 g/l erzielen.
Die N-geschützten Aminotetraole können durch dem Fachmann bekannte Vorschriften aus den entsprechenden Aminotetraolen hergestellt werden.
N-Formylaminotetraole (R¹ steht für H) lassen sich aus dem entsprechenden Aminotetraol durch Umsetzung des Aminotetraols mit einem Ameisensäurealkylester wie Ameisensäuremethylester, Ameisensäureethylester oder Ameisensäurebutylester, mit einem Ameisensäurearylester wie Ameisensäurephenylester, mit einem gemischten Anhydrid von Ameisensäure und einer anderen Carbonsäure wie Essigsäureameisensäureanhydrid oder mit Ameisensäure herstellen.
N-Acylaminotetraole (R₁ steht für substituiertes oder unsubstituiertes C_1-4-Alkyl oder substituiertes oder unsubstituiertes C_2-4-Alkenyl) lassen sich durch Umsetzung des Aminotetraols mit dem entsprechenden Säurechlorid, Carbonsäurealkylester, Carbonsäurearylester, Carbonsäureanhydrid bzw. der entsprechenden Carbonsäure herstellen. N-Acetylaminotetraole lassen sich aus dem entsprechenden Aminotetraol durch Umsetzung beispielsweise mit Acetylchlorid, Essigsäureanhydrid oder Essigsäure darstellen.
N-Alkoxycarbonylaminotetraole (R¹ steht für OR², wobei R² für unsubstituiertes C_1-4-Alkyl steht) lassen sich durch Umsetzung des entsprechenden Aminotetraols mit dem entsprechenden Chlorameisensäurealkylester, Azidoameisensäurealkylester oder mit dem entsprechenden Dikohlensäuredialkylester herstellen.
N-tert.-Butoxycarbonylaminotetraole lassen sich durch Umsetzung des entsprechenden Aminotetraols beispielsweise mit Dikohlensäuredi-tert.-butylester darstellen.
Das Aminotetraol läßt sich durch dem Fachmann bekannte Vorschriften aus den entsprechenden Pentosen wie D-Arabinose, L-Arabinose, D-Xylose, L-Xylose, D-Ribose, L-Ribose, D-Lyxose und L-Lyxose herstellen. Die Pentose kann mit einem primären oder sekundären Amin oder mit Hydroxylamin zum entsprechenden Imin bzw. Oxim umgesetzt werden, das katalytisch zum Aminotetraol hydriert werden kann. 1-Amino-1-desoxy-D-arabinitol läßt sich aus D-Arabinose und 1-Amino-1-desoxy-L-arabinitol läßt sich aus L-Arabinitol herstellen, indem man das entsprechende Enantiomer von Arabinose unter reduzierenden Bedingungen mit Benzylamin umsetzt und das auf diese Weise erhaltene entsprechende N-Benzyl-1-amino-1-desoxy-arabitinol katalytisch hydriert.
Der biologische Oxidationsschritt läßt sich mit allen Mikroorganismen durchführen, die dazu fähig sind, die Hydroxylgruppe an C-4 des N-geschützten Aminotetraols zu einer Ketogruppe zu oxidieren. Bei dem Mikroorganismus kann es sich um ein Bakterium oder einen Pilz handeln. Geeignete Bakterien stammen aus den Gattungen Gluconobacter, Acetobacter oder Corynebacterium. Geeignete Pilze stammen aus den Gattungen Metschnikowia, Candida oder Saccharomyces.
Bevorzugte Mikroorganismen sind Bakterien der Gattungen Gluconobacter oder Acetobacter.
Besonders bevorzugte Mikroorganismen sind von der Spezies Gluconobacter oxydans. Bakterien der Spezies Gluconobacter oxydans beziehen sich auch auf die Subspezies Gluconobacter oxydans ssp. suboxydans (früher als Acetobacter suboxydans oder Acetomonas suboxydans bekannt) und Gluconobacter oxydans ssp. oxydans (früher als Acetomonas oxydans bekannt).
Die am meisten bevorzugten Mikroorganismen sind aus der Gruppe von Stämmen ausgewählt, die aus Gluconobacter oxydans ssp. suboxydans mit den Bezeichnungen DSM 2003 (DSM 14076), DSM 2343 und DSM 50049 (ATCC 621) besteht.
Diese Stämme sind erhältlich von der Deutschen Sammlung für Zellkulturen und Mikroorganismen GmbH (DSMZ), Mascheroder Weg 1b, D-38124 Braunschweig, Deutschland. Der Stamm Gluconobacter oxydans ssp. suboxydans DSM 2003 wurde gemäß den Vorschriften des Budapester Vertrages unter der DSM 14076 am 23.02.2001 bei der DSMZ hinterlegt.
Die Bakterienstämme Gluconobacter oxydans ssp. suboxydans mit den Bezeichnungen DSM 2003 (DSM 14076), DSM 2343 und DSM 50049 (ATCC 621) sollen sich hier auch auf Mutanten davon beziehen, die zu der Art Gluconobacter oxydans ssp. suboxydans gehören und dazu in der Lage sind, die Hydroxylgruppe an C-4 des N-geschützten Aminotetraols zu einer Ketogruppe zu oxidieren. Solche Mutanten lassen sich durch induzierte oder spontane Mutation der obigen Bakterienstämme, anschließende Isolierung der auf diese Weise erhaltenen Mutanten und Screening der isolierten Mutanten auf ihre Fähigkeit zur Oxidation der Hydroxylgruppe an C-4 des N-geschützten Aminotetraols zu einer Ketogruppe erhalten. Beispiele für Mutationen sind Substitution, Insertion oder Deletion von einzelnen oder mehreren Basen oder Inversion von DNA-Segmenten des Genoms. Spontane Mutationen sind natürlich vorkommende Mutationen aufgrund von Fehlern in der DNA-Replikation. Induzierte Mutanten lassen sich durch dem Fachmann bekannte Vorschriften wie durch Bestrahlen (ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlen oder Gammastrahlen), durch mutagene Chemikalien (Methansulfonsäureethylester, Nitrit oder Bromurazil) oder durch die Polymerasekettenreaktion (PCR) erhalten.
Die Mikroorganismen können auf geeigneten Medien kultiviert werden, die Nährstoffe, die als Kohlenstoff-, Stickstoff- und Energiequellen dienen, wie Sojabohnenpepton und Hefeextrakt und eine die enzymatische Aktivität, die die Oxidation der Hydroxylgruppe an C-4 des N-geschützten Aminotetraols zu einer Ketogruppe katalysiert, initiierende Substanz enthalten. Geeignete die enzymatische Aktivität induzierende Substanzen sind Zuckeralkohole wie D-Mannit, L-Mannit, D-Sorbit, L-Sorbit, Galactit, Erythrit, D-Threitol und L-Threitol. Bevorzugte induzierende Substanzen sind D-Sorbit und L-Sorbit. Die am meisten bevorzugte induzierende Substanz ist D-Sorbit.
Die Kultivierung der Mikroorganismen kann bei einem pH-Wert von 5,0–8,0, vorzugsweise bei einem pH-Wert von 5,5–7,0, und bei 20–35°C, vorzugsweise bei 28–32°C, erfolgen.
Die Kultivierung erfolgt vorzugsweise unter aeroben Bedingungen. Vorkulturen können in Kolben mit einem gasdurchlässigen Verschluß kultiviert werden, und die Fermentationen können in Fermentern bzw. gerührten Gefäßen unter Begasung beispielsweise mit Luft oder Sauerstoff durchgeführt werden. Die Fermentation kann bei Normaldruck (etwa 1 bar) oder einem Überdruck von bis zu 3 bar durchgeführt werden. Besonders bevorzugt erfolgt die Kultivierung, indem man die Menge an Sauerstoff in der Fermentationsbrühe durch Begasen mit Luft über 60% (P_O2/P_O2gesätt. bei Normaldruck), ganz besonders bevorzugt über 70%, hält.
Nach der Kultivierung können die Mikroorganismen z. B. durch Filtrieren oder Zentrifugieren geerntet werden.
Die biologische Oxidation des N-geschützten Aminotetraols zur N-geschützten 1-Amino-1-desoxypentulose erfolgt mit den Mikroorganismen oder mit einem Zellextrakt davon. Die Mikroorganismen können als ruhende Zellen, als immobilisiert ruhende Zellen oder als wachsende Zellen eingesetzt werden. Zellextrakte davon beziehen sich auf die rohen Zellextrakte, die man durch dem Fachmann bekannte Verfahren zum Aufbrechen mikrobieller Zellen oder durch Autolyse erhält. Beispiele für Verfahren zum Aufbrechen mikrobieller Zellen sind Ultraschall oder French Press. Bevorzugt erfolgt die biologische Oxidation mit einem Mikroorganismus, besonders bevorzugt mit ruhenden Zellen eines Mikroorganismus.
Die Konzentration des N-geschützten Aminotetraols beträgt vorzugsweise 50–250 g/l, besonders bevorzugt 100–250 g/l, ganz besonders bevorzugt 150–250 g/l.
Die biologische Oxidation wird vorzugsweise bei einem pH-Wert von 4,3–6,0, besonders bevorzugt bei einem pH-Wert von 4,5–5,5, und bei 10–50°C, besonders bevorzugt bei 10–20°C, durchgeführt.
Die biologische Oxidation kann als ein Batch-Verfahren, ein Fed-Batch-Verfahren oder als ein kontinuierliches Verfahren durchgeführt werden.
Die biologische Oxidation erfolgt gewöhnlich über 12–84 h, vorzugsweise über 12–36 h.
Nach der biologische Oxidation werden die Zellen z. B. durch Filtrieren oder Zentrifugieren entfernt. Die auf diese Weise erhaltene Lösung kann direkt in den nächsten Schritt eingesetzt werden, oder man kann die N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-D-xylulose vor der Verwendung im nächsten Schritt aus der Lösung isolieren.
Das Abspalten der N-Schutzgruppe der N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose erfolgt durch Hydrolyse unter alkalischen Bedingungen oder unter Verwendung eines Enzyms wie einer Acylase.
Vorzugsweise entfernt man die N-Schutzgruppe unter alkalischen Bedingungen. Geeignete Basen sind beispielsweise Alkalihydroxide, Erdalkalihydroxide, Ammoniumhydroxid, Dialkylammoniumhydroxide, Trialkylammoniumhydroxide, Tetraalkylammoniumhydroxide, Alkalicarbonate oder Erdalkalicarbonate. Alkalihydroxide sind beispielsweise Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid und Lithiumhydroxid. Erdalkalihydroxide sind beispielsweise Calciumhydroxid und Bariumhydroxid. Ein Beispiel für Dialkylammoniumhydroxide ist Diisopropylammoniumhydroxid. Ein Beispiel für Trialkylammoniumhydroxide ist Triethylammoniumhydroxid. Ein Beispiel für Tetraalkylammoniumhydroxide ist Tetrabutylammoniumhydroxid.
Alkalicarbonate sind beispielsweise Natriumcarbonat, Kaliumcarbonat und Lithiumcarbonat. Erdalkalicarbonate sind beispielsweise Calciumcarbonat und Bariumcarbonat.
Besonders bevorzugt entfernt man die N-Schutzgruppe mit 1–2 Moläquivalenten eines Alkalihydroxids, bezogen auf die N-geschützte 5-Amino-5-desoxypentulose.
Ganz besonders bevorzugt entfernt man die N-Schutzgruppe mit 1–2 Moläquivalenten Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid, bezogen auf die N-geschützte 5-Amino-5-desoxypentulose.
Als Hydrierungskatalysatoren eignen sich beispielsweise Nickel oder Edelmetalle, wie Palladium, Rhodium oder Platin, als Reduktionsmittel. Hydrierungskatalysatoren sind beispielsweise Raney-Nickel, Palladium-auf-Aktivkohle, Palladium-auf-Bariumsulfat, Palladium-auf-Calciumcarbonat, Platin-auf-Aktivkohle, Rhodium-auf-Aktivkohle und Rhodium-auf-Alumina. Der Edelmetallgehalt des Katalysators beträgt 1–20 Gew.-%, vorzugsweise 4–10 Gew.-%. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Hydrierungskatalysator um einen Palladiumkatalysator, besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Hydrierungskatalysator um Palladium-auf-Aktivkohle.
Die Menge an bei der Hydrierung verwendetem Katalysator kann 0,1–100% (Gewicht des Katalysators/Gewicht der 5-Amino-5-5-desoxypentulose), bevorzugt 0,5–20%, besonders bevorzugt 0,5–10%, betragen.
Bei dem bei der Hydrierung verwendeten Lösungsmittel kann es sich um Wasser oder einen wassermischbaren Alkohol wie Methanol, Ethanol, Propanol oder Isopropanol oder Mischungen von Wasser und einem wassermischbaren Alkohol, vorzugsweise Wasser oder Mischungen von Wasser und einem wassermischbaren Alkohol, besonders bevorzugt Wasser, handeln.
Die Hydrierung kann bei 0–120°C, bevorzugt bei 15–40°C, besonders bevorzugt bei 20–30°C und bei einem Wasserstoffdruck von 0,5–100 bar, bevorzugt 2–10 bar, besonders bevorzugt 4–6 bar, durchgeführt werden.
Die Reaktionszeit für die Hydrierung beträgt gewöhnlich 1–50 h, vorzugsweise 5–40 h, besonders bevorzugt 10–30 h.
Die Hydrierung liefert das (2R)- oder das (2S)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol mit einem hohen diastereomeren Überschuß (d. e.), vorzugsweise > 80% d. e., besonders bevorzugt > 90% d. e.
Nach der Hydrierung kann man den Katalysator z. B. durch Filtrieren entfernen. Das Produkt 2-Hydroxymethylpyrrolidon kann durch Ionenaustauschchromatographie aufgereinigt werden.
Das Entfernen der N-Schutzgruppe und die katalytische Hydrierung können getrennte Verfahrensschritte sein oder im gleichen Verfahrensschritt durchgeführt werden. Vorzugsweise werden das Entfernen der N-Schutzgruppe und die katalytische Hydrierung im gleichen Verfahrensschritt durchgeführt.
Ebenfalls Teil der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von 2-Hydroxymethyl-3,4-diol, bei dem man

a) die N-Schutzgruppe einer N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose der Formel
entfernt, was die entsprechende 5-Amino-5-desoxypentulose der Formel
liefert, und
b) diese 5-Amino-5-desoxypentulose (III) katalytisch zum entsprechenden (2R)- und/oder (2S)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol der Formel
hydriert.

Geeignete N-geschützte 5-Amino-5-desoxypentulosen sind N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-D-xylulose, N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-L-xylulose, N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-D-ribulose und N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-L-ribulose. Bevorzugte N-geschützte 5-Amino-5-desoxypentulosen sind N-geschützte 5- Amino-5-desoxy-D-xylulose und N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-L-xylulose. Eine besonders bevorzugte N-geschützte 5-Amino-5-desoxypentulose ist 5-Amino-5-desoxy-D-xylulose.
Alle für die Herstellung von 2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol aus N-geschütztem Aminotetraol (I) gegebenen Definitionen gelten, falls zutreffend, auch für dieses Verfahren.
Beispiel 1
Darstellung von N-Formyl-1-amino-1-desoxy-D-arabinitol
1-Amino-1-desoxy-D-arabinitol (50,0 g, 330 mmol) wurde durch Erwärmen auf 35°C in Methanol (1300 ml) gelöst. Nach dem Abkühlen auf 20°C wurde Ameisensäuremethylester (43,6 g, 725 mmol) zugesetzt, und die Lösung wurde in einem doppelwandigen Kolben mit mechanischem Rührer und Temperiersystem bei etwa 20°C gerührt. Nach 2 h fiel ein weißer Feststoff aus. Nach einer Reaktionszeit von insgesamt 3 h wurde die Mischung unter Rühren im Verlauf von 1 h auf 0°C abgekühlt. Zur Aufarbeitung wurde die auf diese Weise erhaltene weiße Suspension abfiltriert, und der Filterkuchen wurde zweimal mit kaltem Methanol (jeweils 35 ml) gewaschen. Durch Trocknen des Niederschlags bei 40°C und 25 mbar erhielt man N-Formyl-1-amino-1-desoxy-D-arabitinol (82%).
Beispiel 2
Darstellung von N-Formyl-1-amino-1-desoxy-L-arabinitol
Die Formylierung wurde wie in Beispiel 1 beschrieben durchgeführt, wobei allerdings 1-Amino-1-desoxy-L-arabinitol als Ausgangsmaterial verwendet und N-Formyl-1-amino-1-desoxy-L-arabitinol erhalten wurde.
Beispiel 3
Herstellung der Biomasse
Medium A wurde hergestellt, indem man Hefeextrakt (3 g/l), D-Sorbit (60 g/l) und Sojabohnenpepton (5 g/l) in vollentsalztem Wasser löste und den pH-Wert mit NaOH auf 6,3 ± 0,3 einstellte. Das Medium A wurde in drei Erlenmeyerkolben (jeweils 100 ml) gegeben, sterilisiert (121°C, 20 min, 1 bar) und mit Gluconobacter oxydans ssp. suboxydans DSM 2003 (DSM 14076) (jeweils 1 ml) inokuliert. Die Vorkulturen wurden 24 h bei 30°C und 200 U/min inkubiert. Medium A (11,5 l) wurde in einen 30-l-Fermenter gegeben, sterilisiert (121°C, 30 min, 1 bar) und mit der Vorkultur (200 ml) inokuliert. Die Fermentierung erfolgte bei 28°C, bei einem pH-Wert von 6,3, wobei die Sauerstoffmenge in der Fermentationsbrühe durch Begasen mit Luft über 70% (P_O2/P_O2gesätt. bei Normaldruck) gehalten wurde. Nach etwa 13 h wurde die Fermentationsbrühe abgekühlt und bei 4°C filtriert. Die Zellen wurden durch Ultrafiltrieren mit wäßriger MgSO₄-Lösung (20 mM) gewaschen und eingeengt. Die eingeengte Zellsuspension wurde mit wäßriger MgSO₄-Lösung (20 mM) auf OD_650nm200 verdünnt und bei 4°C gelagert.
Beispiel 4
Biologische Oxidation von N-Formyl-1-amino-1-desoxy-D-arabinitol
N-Formyl-1-desoxy-1-amino-D-arabinitol (20 g, 111 mmol) wurde in vollentsalztem Wasser (100 ml) gelöst. Eine wie in Beispiel 3 beschrieben hergestellte konzentrierte Zellsuspension von Gluconobacter oxydans ssp. suboxydans DSM 2003 (DSM 14076) wurde zugesetzt, und der pH-Wert wurde auf 5,0 eingestellt. Die biologische Oxidation erfolgte unter Schütteln bei 15°C und einem pH-Wert von 5. Nach 24 h war das Ausgangsmaterial nach DC nahezu quantitativ in N-Formyl-5-Amino-5-desoxy-D-xylulose umgewandelt worden. Die Zellen wurden durch Ultrafiltrieren entfernt, und die auf diese Weise erhaltene Lösung wurde bis zur Hydrierung aufbewahrt.
Beispiel 5
Biologische Oxidation von N-Formyl-1-amino-1-desoxy-L-arabinitol
Die biologische Oxidation erfolgte wie in Schritt 4 beschrieben, wobei allerdings N-Formyl-1-amino-1-desoxy-L-arabinitol als Ausgangsmaterial verwendet wurde. N-Formyl-1-amino-1-desoxy-L-arabinitol wurde in N-Formyl-5-amino-1-desoxy-L-xylolose umgewandelt.
Beispiel 6
Katalytische Hydrierung von N-Formyl-5-Amino-5-desoxy-D-xylulose
Eine wie in Beispiel 4 beschrieben erhaltene wäßrige Lösung von N-Formyl-5-Amino-5-desoxy-D-xylulose (111 mmol), KOH (1 M, 11 ml, 111 mmol) und Pd/C (4% mit 53,4% Wasser, Degussa-Hüls, 1,0 g) wurden in vollentsalztem Wasser (50 ml) in einem Hastelloy^® 1-l-Autoklaven mit Temperiersystem gemischt. Die Reaktionsmischung wurde dreimal mit Stickstoff (5 bar) und dann dreimal mit H₂ (5 bar) gespült. Das Reaktionsgefäß wurde mit H₂ (5 bar) beaufschlagt. Nach 20 h Rühren bei 23°C wurde die Reaktionsmischung dreimal mit N₂ gespült. Nach Filtrieren über Celite^®, erhielt man eine bräunliche Lösung (183 g). Die Lösung wurde mit einer Ionenaustauscherharz-Säule (Durchmesser 3 cm, Höhe 20 cm, Dowex^® 50W × 8H, 100–200 mesh) aufgereinigt. Das Harz wurde mit wäßriger HCl (7%) aktiviert und dann mit Wasser gewaschen, bis der pH-Wert 3–4 betrug. Nach dem Auftragen des Produktes wurde die Säule fünfmal mit Wasser gespült (jeweils 168 ml) und dann mit wäßriger NH₃-Lösung (5%, 114 ml) eluiert und am Ende mit Wasser (283 ml) gewaschen. Die Fraktionen wurden gesammelt und mit DC (Lösungsmittelsystem: Dichlormethan/Wasser/-wäßrige Ammoniaklösung (25%): 17/3/2, Nachweis: KMnO₄/Na₂CO₃: 1/1) geprüft: R_f((2R,3R,4R)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol) – 0,2–0,4, R_f(N-Formyl-5-amino-5-desoxy-D-xylulose): 0,83). Nach dem Vereinigen identischer Fraktionen und dem Entfernen von Wasser erhielt man (2R,3R,4R)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol (72% ausgehend von N-Formyl-1-amino-1-desoxy-D-arabinitol) mit einem diastereomeren Überschuß von 94,4%, bestimmt durch Hochdruckkapillarelektrophorese (HPCE).
Beispiel 7
Katalytische Hydrierung von N-Formyl-5-Amino-5-desoxy-L-xylulose
Die Hydrierung erfolgte wie in Beispiel 6 beschrieben, wobei allerdings N-Formyl-5-Amino-5-desoxy-L-xylulose als Ausgangsmaterial verwendet wurde. Man erhielt (2S,3S,4S)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol.
Beispiel 8
Entfernen der N-Formylschutzgruppe vor der katalytischen Hydrierung
Eine wie in Beispiel 4 beschrieben erhaltene wäßrige Lösung von N-Formyl-5-amino-5-desoxy-D-xylulose (100 g, 111 mmol), KOH (1 M, 111 ml, 111 mmol) und vollentsalztes Wasser (50 ml) wurden in einem Hastelloy^® 1-l-Autoklaven mit Temperiersystem 1 h bei etwa 23°C gerührt.
Pd/C (4% mit 53,4% Wasser (Degussa-Hüls), 1,0 g) wurde zugesetzt, und die Hydrierung wurde wie in Beispiel 6 beschrieben durchgeführt. Man erhielt (2R,3R,4R)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol.

Claims

Verfahren, bei dem man a) die N-Schutzgruppe einer N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose der Formel
in welcher R¹ für H, substituiertes oder unsubstituiertes C_1-4-Alkyl, substituiertes oder unsubstituiertes C_2-4-Alkenyl oder OR² steht, wobei R² für unsubstituiertes C_1-4-Alkyl steht, unter alkalischen Bedingungen entfernt, was die entsprechende 5-Amino-5-desoxypentulose der Formel
liefert, und b) diese 5-Amino-5-desoxypentulose (III) katalytisch zum entsprechenden (2R)- und/oder (2S)-2-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol der Formel
hydriert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose um N-geschützte 5-Amino-5- desoxy-D-xylulose oder N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-L-xylulose handelt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose um N-geschützte 5-Amino-5-desoxy-D-xylulose handelt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die N-Schutzgruppe mit 1–2 Moläquivalenten eines alkalischen Hydroxids, bezogen auf die 5-Amino-5-desoxypentulose, entfernt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Hydrierungskatalysator um einen Palladiumkatalysator handelt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Hydrierung verwendete Menge an Katalysator 0,5–20% (Gewicht des Katalysators/Gewicht der 5-Amino-5-desoxypentulose) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfernen der N-Schutzgruppe und die katalytische Hydrierung im gleichen Verfahrensschritt durchgeführt werden.
Verfahren, bei dem man a) ein N-geschütztes Aminotetraol der Formel
oder ein Salz davon, wobei R¹ für H, substituiertes oder unsubstituiertes C_1-4-Alkyl, substituiertes oder unsubstituiertes C_2-4-Alkenyl oder OR² steht, wobei R² für unsubstituiertes C_1-4-Alkyl steht, mit einem Mikroorganismus oder einem zellfreien Extrakt davon zur entsprechenden N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose der Formel
oxidiert, wobei R¹ wie oben definiert ist, b) die N-Schutzgruppe der N-geschützten 5-Amino-5-desoxypentulose (II) unter alkalischen Bedingungen entfernt, was die entsprechende 5-Amino-5-desoxypentulose der Formel
liefert, und c) diese 5-Amino-5-desoxypentulose (III) katalytisch zum entsprechenden (2R)- und/oder (2S)-Hydroxymethylpyrrolidin-3,4-diol der Formel
hydriert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, daß R¹ für substituiertes oder unsubstituiertes C_1-4-Alkyl oder H steht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß R¹ für C_1-2-Alkyl oder H steht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß R¹ = H.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem N-geschützten Aminotetraol um ein N-geschütztes 1-Amino-1-desoxy-L-arabinit oder ein N-geschütztes 1-Amino-1-desoxy-D-arabinit handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–12, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroorganismus zu der Gattung Gluconobacter oder Acetobacter, vorzugsweise zur Spezies Gluconobacter oxydans, gehört.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Mikroorganismus ausgewählt ist aus der aus Gluconobacter oxydans ssp. suboxydans DSM 2003 (DSM 14076), Gluconobacter oxydans ssp. suboxydans DSM 2343 und Gluconobacter oxydans ssp. suboxydans DSM 50049 (ATCC 621) bestehenden Gruppe von Stämmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidation bei einer Konzentration an N-geschütztem Aminotetraol von 50–250 g/l, vorzugsweise bei 100–250 g/l, durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8–15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidation bei einem pH-Wert von 4,3–6,0 und bei 10–50°C durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–16, dadurch gekennzeichnet, daß die N-Schutzgruppe mit 1–2 Moläquivalenten eines alkalischen Hydroxids, bezogen auf die N-geschützte 5-Amino-5-desoxypentulose, entfernt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9–16, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Hydrierungskatalysator um einen Palladiumkatalysator handelt und die Menge an bei der Hydrierung verwendetem Katalysator 0,5–10% (Gewicht des Katalysators/Gewicht der 5-Amino-5-desoxypentulose) beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–18, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der N-Schutzgruppe und die katalytische Hydrierung im gleichen Verfahrensschritt durchgeführt werden.
N-Formyl-1-amino-1-desoxy-L-arabinit der Formel
N-Formyl-1-amino-1-desoxy-D-arabinit der Formel