DE69021711T2 - Verfahren zur Herstellung von optisch aktiven Hydroxylactonen. - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von optisch aktiven Hydroxylactonen.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von optisch aktiven Verbindungen, die als Ausgangsstoffe für optisch aktive und physiologisch wirksame Verbindungen, funktionelle Stoffe, etc., verwendet werden, insbesondere optisch aktive Hydroxylactone.
- Optisch aktive Verbindungen sind verwendbar als Ausgangsstoffe für physiologisch wirksame Verbindungen, wie beispielsweise Arzneimittel, Agrochemikalien usw., und funktionelle Stoffe und als Zwischenprodukte. Da jedoch die Verbindungen optische Isomere haben, wird in der Praxis im wesentlichen eines der Enantiomeren verwendet. Wenn die racemischen Verbindungen oder Verbindungen mit einer niedrigen optischen Reinheit verwendet werden, können anscheinend keine Verbindungen mit adäquater physiologischer Aktivität oder Funktionalität erhalten werden.
- Optisch aktive Verbindungen, die durch das erfindungsgemässe Verfahren erhalten werden, nämlich Hydroxylactone, sind sehr nützliche Verbindungen. Nichtsdestoweniger ist ein effektives Verfahren zur Herstellung der Verbindungen unbekannt.
- Beispielsweise ist es, obwohl ein Verfahren zur Herstellung von Derivaten aus Äpfelsäure oder Malaten, die in der Natur vorkommen, wohlbekannt ist, notwendig, eine der beiden Carboxylgruppen oder eine der zwei Estergruppen zu reduzieren. Ein effektives Verfahren dafür ist jedoch unbekannt und das obige Verfahren ist industriell nicht anwendbar. Zum Erhalt eines Enantiomers sollte eine Äpfelsäure, die nicht von einem natürlichen Typ ist, als Ausgangsmaterial verwendet werden. Da diese Verbindung teurer ist als die in der Natur vorkommende, ist sie industriell zur Verwendung als Ausgangsmaterial nachteilig (K. Mori et al, Tetrahedron, 35, 933 (1979), H. Hayashi et al, J. Am. Chem. Soc., 95, 8749 (1973), E. Corey et al, J. Am. Chem. Soc., 100, 1942 (1978), S. J. Shiuey et al, J. Org. Chem. 53, 1040 (1988))
- Darüber hinaus ist ein Verfahren bekannt, bei dem L-Ascorbinsäure als Ausgangsmaterial verwendet wird. Das Verfahren ist jedoch kompliziert und nachteilig (K.C. Luk et al, Synthesis, 3, 226 (1988)).
- In letzter Zeit wurde ein Verfahren zum Erhalt von R-3-Hydroxybutyrolacton unter Verwendung von Bäckerhefe entdeckt. In dem Verfahren ist die Effizienz eines asymmetrischen Reduktionsschritts, in dem die Bäckerhefe verwendet wird, nicht gut. So werden z.B. 1 kg Bäckerhefe, 1 kg Sucrose und 8 l Wasser zur Behandlung von nur 35 g Substrat verwendet. Die Behandlung ist industriell nachteilig. Nach dem Verfahren ist es unmöglich, eine S-Verbindung zu erhalten. Zum Erhalt der S-Verbindung sollten die anderen Verfahren untersucht werden (D. Seebach, Synthesis, 1, 37 (1986)).
- Darüber hinaus ist ein Verfahren bekannt, in dem ein prochirales Keton mit optisch aktivem 4-Methyl-1,4- dihydropyridin asymmetrisch reduziert und so S-Pantolacton erhalten wird, bekannt. Da die asymmetrische Ausbeute niedrig ist (etwa 72 %ee) ist das Verfahren eher unpraktisch (A.I. Meyers, Tetrahedron Letters, 29, 5617 (1988))
- Ausserdem wurde über ein Verfahren zum Erhalt von R- oder S-Pantolacton durch asymmetrische Alkoholyse in Gegenwart von Lipase berichtet. Nach dem Verfahren ist es möglich, beide Enantiomere zu erhalten. Obwohl es scheint, als ob das Verfahren exzellent wäre, ist die optische Reinheit der R-Verbindung 70 %ee und die der S-Verbindung 36 %ee. Als Ergebnis ist das Verfahren nicht praxisgerecht (H.S. Bevinakatti, J. Org. Chem., 54, 2453 (1989)).
- Wie oben beschrieben, beinhalten die herkömmlichen Verfahren viele Probleme. Erstens sind die Ausgangsstoffe, die aus Naturprodukten über viele Schritte erhalten werden, teuer. Zweitens ist das Verfahren zur Massenproduktion ungeeignet, da die Substratkonzentration bei einem Verfahren der asymmetrischen Reduktion sehr niedrig ist. Drittens müsste, da nur ein Enantiomer erhältlich ist, das andere Enantiomer nach einem anderen Verfahren erhalten werden. Viertens ist es unmöglich, eine Verbindung mit hoher Reinheit zu erhalten.
- Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Überwindung der obigen Nachteile der herkömmlichen Methoden und die Bereitstellung eines neuen und anwendbaren Verfahrens zur Herstellung von optisch aktiven Hydroxylactonen.
- Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines optisch aktiven Hydroxylactons zur Verfügung, das die Umsetzung eines Esters und einer racemischen Verbindung der allgemeinen Formel (I)
- worin n 0 oder 1 ist, entweder R¹ oder R² eine Hydroxygruppe ist und R² = R³ = H oder R² = R³ = CH&sub3; ist, wenn R¹ die Hydroxygruppe ist, und R¹ = R³ = H ist, wenn R² die Hydroxygruppe ist, unter im wesentlichen wasserfreien Bedingungen und in Gegenwart eines Enzyms zur Bewirkung einer Umesterungsreaktion, und Auftrennen zu einem optisch aktiven Alkohol, der R- oder S-Konfiguration hat, und dem Ester des symmetrischen Alkohols, umfasst.
- Im erfindungsgemässen Verfahren wird die Reaktion unter wasserfreien Bedingungen ausgeführt. Dieses Verfahren erfordert nicht die Verwendung einer kleinen Menge Wasser oder eines niederen Alkohols anstelle von Wasser, und Nebenreaktionen, wie die Hydrolyse des erhaltenen Esters und der Ester der Ausgangsverbindungen treten nicht auf, und die Bildung von unerwünschten Estern tritt kaum auf, so dass das Enzym stabil im organischen Lösungsmittel gehalten wird und leicht nach der Reaktion abgetrennt und wiederverwendet wird. Ausserdem kann, da das Enzym direkt im organischen Lösungsmittel verwendet und umgesetzt wird, das Verfahren von Kontamination durch unerwünschte Mikroorganismen freigehalten werden. Demgemäss besteht keine Notwendigkeit für spezielle Ausrüstungen, Antiseptika, Sterilisationsbehandlungen etc.. Es ist möglich, die Reaktion in einem offenen System auszuführen. Ausserdem kann die Reaktion in derselben oder einer geringeren Menge Lösungsmittel im Vergleich zu herkömmlichen organischen Synthesereaktionen bei hoher Substratkonzentration ausgeführt werden.
- Es ist auch hinreichend, Ester zur Umesterung zu verwenden, die ohne jede Schwierigkeit im Handel erhältlich sind. Ethylacetat, Ethylpropionat, Ethylbutyrat, Triacetin, Tributyrin, Tricaproin, etc., können verwendet werden. Insbesondere Vinylester sind bevorzugt. Vinylacetat, Vinylcaproat, Vinyllaurat, etc., können als Beispiele solcher Vinylester angeführt werden.
- Als das in der vorliegenden Erfindung verwendbare Enzym kann eine Hydrolase verwendet werden; besonders eine Lipase, Lipoproteinlipase, Esterase, etc., sind bevorzugt. Ein Enzym mit der Fähigkeit zur Katalyse einer Umesterungsreaktion, vorzugsweise zwischen der R- oder S-Verbindung und dem Ester, kann jedoch, wenn das Enzym mit der racemischen Verbindung verwendet wird, unabhängig von seiner Klasse verwendet werden. Beispielsweise zeigt die folgende Tabelle im Handel erhältliche Enzyme, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. TABELLE Handelsname Ursprung Vertrieb oder Hersteller Lipase Palatase Aspergillus niger Mucor javanicus Pseudomonas fluorescens Humicola lanuginosa Thizopus javanicus Schweinepankreas Geotrichum candidum Rhizopus delamar Chromobacterium viscosum Aspergillus niger Rhizopus niveus Pseudomonas flaji Amano Pharmaceutical Co.Ltd. Sigma Chemical Co., Ltd. Toyo Jozo Co., Ltd. Novo Industi A/S Nagase Biochemicals, Co. Ltd. Sapporo Beer Co., Ltd.
- Neben diesen Enzymen können Mikroorganismen, die die Enzyme mit der obigen Fähigkeit produzieren, unabhängig von ihrer Spezies und Art verwendet werden. Als solche Mikroorganismen können beispielsweise die Arten Arthrobacter, Acromobacter, Alcaligenes, Aspergillus, Chromobacterium, Candida, Mucor, Pseudomonas, Rhizopus, etc., angeführt werden. Die aus diesen Mikroorganismen produzierten Enzyme können ebenfalls verwendet werden.
- Die folgende Beschreibung erläutert das erfindungsgemässe Verfahren genauer.
- In der vorliegenden Erfindung können die racemischen Verbindungen der Formel (I) der Ausgangsstoffe leicht durch herkömmliche organisch-chemische Methoden hergestellt werden. Beispielsweise werden vorteilhaft die folgenden Schritte eingesetzt.
- Wenn R¹ eine Hydroxygruppe in Formel (I) ist:
- worin R² und R³ Wasserstoff bzw. eine Methylgruppe sind.
- Die Verbindung kann also leicht durch die Reaktion des obigen Bromids (II) erhalten werden, das im Handel erhältlich ist (J. Prakt. Chem., 17, 91 (1985)).
- Wenn R² eine Hydroxygruppe in Formel (I) ist:
- worin R¹ = R³ = H in Formel (I) ist.
- In der obigen Formel ist R Alkyl oder Wasserstoff und n ist 0 oder 1.
- Das heisst, die Diolverbindung (III), die unter Anwendung eines gewöhnlichen organisch-chemischen Verfahrens leicht erhalten werden kann, wird unter sauren Bedingungen zum Erhalt des Lactons umgesetzt.
- In der vorliegenden Erfindung wird die Reaktion durch Mischen einer racemischen Verbindung und eines Esters und effiziente Kontaktierung der Mischung mit einem Enzym ausgeführt.
- Die racemische Verbindung und der Ester können ohne besondere Behandlung verwendet werden. Wenn die racemische Verbindung als Substrat im Ester löslich ist, kann die Reaktion ohne Zugabe eines Lösungsmittels ausgeführt werden. Wenn die racemische Verbindung kaum löslich im Ester ist, kann ein organisches Lösungsmittel, wie Heptan oder Toluol, zugegeben werden.
- Die Reaktionstemperatur beträgt geeignet 0 bis 100ºC und besonders bevorzugt 15 bis 45ºC. Die geeignetste Temperatur und Reaktionszeit hängt von der Art des Enzyms ab.
- Die Reaktionszeit beträgt 5 bis 240 Stunden. Die Zeit kann durch Erhöhung der Reaktionstemperatur oder Verwendung eines Enzyms mit hoher Aktivität oder Verringerung der Substratkonzentration verkürzt werden.
- Die racemische Verbindung als Substrat und der Ester werden geeignet im Molverhältnis 1:0,5 bis 1:2, und vorzugsweise 1:1,1 bis 1:2,0, gemischt.
- Nach der Umesterungsreaktion kann das Enzym durch herkömmliche Filteroperationen entfernt und so, wie es ist, wiederverwendet werden. Die Reaktion kann wiederholt werden, indem das Enzym durch Adsorption an einem hydrophoben Harz oder dergleichen fixiert wird. Der Reaktant, der das Filtrat ist, kann zu einem optisch aktiven Alkohol bzw. einem optisch aktiven Ester, der die Antipode des Alkohols ist, beispielsweise durch Destillation oder Säulenchromatografie, aufgetrennt werden. Der erhaltene Ester wird hydrolysiert, so dass man einen optisch aktiven Alkohol erhält, der die Antipode des obigen Alkohols ist.
- Die nach dem obigen Verfahren erhaltenen, optisch aktiven Verbindungen zeigen kleine Unterschiede in den optischen Reinheiten in Abhängigkeit von den Strukturen. Die optischen Reinheiten können durch eine nochmalige Umesterungsreaktion erhöht werden.
- Die Errungenschaften dieser Erfindung sind wie folgt:
- (1) Eine unnötige Hydrolyse von Estern tritt kaum auf, da die Umesterungsreaktion im wesentlichen unter wasserfreien Bedingungen ausgeführt wird.
- (2) Das Enzym kann leicht wiedergewonnen und wiederverwendet werden.
- (3) Keine besondere Behandlung und Materialien werden verwendet, da die Reaktion unter den Bedingungen relativ niedriger Temperaturen und einem offenen System ausgeführt werden kann.
- (4) Optisch aktive Substanzen mit hoher Reinheit werden in einer 1-Stufen-Reaktion erhalten.
- (5) Trotz der biochemischen Reaktion kann die Substratkonzentration erhöht werden, und grosse Reaktiongefässe sind unnötig, weil eine Pufferlösung und dergleichen in der Reaktion nicht erforderlich sind.
- (6) Die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten, optisch aktiven Verbindungen sind wichtig als Ausgangsstoffe von vielen Arten nützlicher Verbindungen.
- Ausführungsformen werden nachfolgend gezeigt.
- S-α-Hydroxy-γ-butyrolacton (1), das durch das erfindungsgemässe Verfahren hergestellt werden kann, ist leicht in R-α-Fluor-γ-butyrolacton (2) umwandelbar. Die letztere Verbindung ist als Ausgangsmaterial von 1α,25- Dihydroxy-24(R)-fluorcholecalsiferol (3) (S.J. Shiuey et al, J. Org. Chem., 53, 1040 (1988)), verwendbar.
- R-α-Hydroxy-γ-butyrolacton, das die Antipode von (1) ist, ist verwendbar als Ausgangsmaterial von 2,3-Epoxysqualen (M.A. Abdallah et al, J. Chem. Soc., Perkin Trans., 1, 888 (1975)).
- Ausserdem liefert nach Einführung einer Schutzgruppe in S- α-Hydroxy-γ-butyrolacton (1) eine Ringöffnungsreaktion der Verbindung die Verbindung (4), die ein Ausgangsmaterial zur Herstellung von Mugineinsäuren (5) und (6) ist (JP-OSen Nr. 57-112384 und 57-112385).
- R-β-Hydroxy-γ-butyrolacton (7) ist verwendbar als Ausgangsstoff zur Herstellung von (-)-Aplysistatin (8), das ein Anti-Krebsmittel ist (H.M. Shieh, Tetrahedron Letters, 23, 4643 (1982)).
- S-β-Hydroxy-γ-butyrolacton (9), das nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt werden kann, ist ein Ausgangsmaterial zur Synthese von (-)-α-Multistriatin (10), das ein Insektenpheromon ist (M. Larcheveque et al, Tetrahedron, 43, 2303 (1987)).
- Ausserdem kann die Verbindung (7), von der S-N-Benzyloxy- 4-acetoxymethyl-2-azetidinon (11) abgeleitet werden kann, als Zwischenprodukt zur Herstellung von Carbapenem- Antibiotika verwendet werden (H. Yamada et al, Heterocycles, 26, 2841 (1987)).
- Ausserdem kann R-β-Hydroxy-γ-butyrolacton (7) oder S-β- Hydroxy-γ-butyrolacton (9) in R- oder S-1,2,4-Butantriol oder Derivate davon umgewandelt werden. Diese Verbindungen können zur Synthese von (+)-Ipsdienol (K. Mori et al, Tetrahedron, 35, 933 (1979)), Mevinolin und Compactin (Y. Guindon et al, Tetrahedron Letters, 26, 1185 (1985)), S-3-Piperidinol (R.K. Olsen et al, J. Org. Chem., 50, 896 (1985), Tulipalin B (C. Papageorigious et al, J. Org. Chem., 50, 1144 (1985), Aglycon (S. Hanessian et al, J. Org. Chem. 48, 4427 (1983), Dihydroxypentyluracil (H. Hayashi et al, J. Am. Chem. Soc., 95, 8749 (1973)), etc., verwendet werden.
- Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert. In den Beispielen werden die optischen Reinheiten der optisch aktiven Verbindungen durch Vergleich der spezifischen Rotation mit Verbindungen mit bekannter optischer Reinheit aus der Literatur und durch HPLC-Analyse unter Verwendung einer optisch aktiven Auflösungssäule, die im Handel erhältlich ist, bestimmt.
- (i) Eine Mischung aus 2,0 g racemischem α-Hydroxy-γ- butyrolacton, 1,01 g Vinylacetat und 0,2 g Lipase PS (hergestellt von Amano Pharmaceutical Co., Ltd.) wurde unter Rühren bei 20ºC 75 Stunden umgesetzt. Nach Beendigung der Reaktion wurde das Enzym durch Saugfiltration entfernt und der Rückstand mit einer Silicagel-Säulenchromatografie gereinigt, so dass 1,09 g S-α-Hydroxy-γ-butyrolacton, [α]D²&sup6; -37,1ºC (C 1,18, CHCl&sub3;) und 1,3 g R-α-Acetoxy-γ-butyrolacton erhalten wurden. 5 ml Ethanol und 3 Tropfen konzentrierte Schwefelsäure wurden zu 1,3 g R-α-Acetoxy-γ-buyrolacton gegeben. Die Mischung wurde unter Rühren bei 40 ºC 5 Stunden umgesetzt und deacetyliert. 0,84 g R-α-Hydroxy-γ-butyrolacton (Ausbeute: 84 %) wurden erhalten. 93 %ee.
- [α]D³&sup0; +61,2º (C 1,07, CHCl&sub3;)
- ¹H-NMR δ 2,1-2,8 (m, 2H, CH&sub2;), δ 3,15 (brs, 1H, OH), 4,1- 4,7 (m, 3H, CH&sub2;O, CHO)
- (ii) 0,5 g Vinylacetat und 0,1 g Lipase PS wurden zu 1,09 g S-α-Hydroxy-γ-butyrolacton, das unter (i) erhalten wurde, gegeben. Die Mischung wurde unter Rühren bei 20ºC 50 Stunden umgesetzt. Nach Beendigung der Reaktion wurde das Enzym durch Saugfiltration entfernt und der Rückstand durch Silicagel-Säulenchromatografie gereinigt, so dass 0,75 g S-α-Hydroxy-γ-butyrolacton (Ausbeute: 75 %) erhalten wurden. 97,1 %ee.
- [α]D²&sup6; -63,3º (C 1,18, CHCl&sub3;)
- (Literaturwert: [α]D²&sup5; -65,2º (C 1,15, CHCl&sub3;), S.J. Shiuey et al, J. Org. Chem., 53, 1040 (1988)).
- Eine Mischung aus 2,0 g racemischem α-Hydroxy-β-dimethyl-γ- butyrolacton (Pantolacton), 0,80 g Vinylacetat, 1,0 g Lipase PS (hergestellt von Amano Pharmaceutical Co., Ltd.) und 6 ml Toluol wurde unter Rühren bei 20ºC 150 Stunden umgesetzt. Nach Beendigung der Reaktion wurde das Enzym durch Saugfiltration entfernt und der Rückstand mit Silicagel-Säulenchromatografie gereinigt so dass 1,1 g S-α-Acetoxy-β-dimethyl-γ-butyrolacton [(Ausbeute: 85 %), 96,4 %ee, [α]D²&sup7; +13,5º (C 1,26, EtOH), (Literaturwert: [α]D²&sup5; +14,0º (EtOH), S. Nabeta et al, DE-OS 19 48 368 (1970))] und 0,71 g R-α-Hydroxy-β-dimethyl-γ-butyrolacton (Ausbeute: 71 %), 80,1 %ee, [α]D²&sup8; -40,6º (C 1,05, H&sub2;O) (Literaturwert: [α]D²&sup5; -50,7º (C 2,05, H&sub2;O), I. Ojima et al, Org., Synthesis, 63, 18 (1984)) erhalten wurden.
- Eine Mischung aus 1,0 g racemischem β-Hydroxy-γ- butyrolacton, 0,5 g Vinylacetat und 0,1 g Lipase PS (hergestellt von Amano Pharmaceutical Co., Ltd.) wurde unter Rühren bei 25ºC 48 Stunden lang umgesetzt. Nach Beendigung der Reaktion wurde das Enzym durch Saugfiltration entfernt und der Rückstand mit Silicagel- Säulenchromatografie gereinigt, so dass 0,32 g S-β- Hydroxy-γ-butyrolacton, [α]D²&sup8; -19,7º (C 1,15, EtOH), und 0,35 g R-β-Acetoxy-γ-butyrolacton erhalten wurden. Zu der S-Verbindung wurden 5 ml THF und 1 ml einer wässrigen 18N-H&sub2;SO&sub4;-Lösung gegeben. Die Mischung wurde unter Rühren 24 Stunden umgesetzt und so 0,25 g deacetyliertes β-Hydroxy-γ-butyrolacton erhalten. Ausbeute: 50 %. 48,1 %ee.
- ¹H-NMR (CDCl&sub3;/TMS) δ: 2,52 (dm, 1H, J=20Hz), 2,74 (dd, 1H, J=20,7Hz), 3,02 (d, 1H, J=4Hz), 4,30 (dm, 1H, J=12Hz), 4,42 (dm, 1H, J=12,5Hz), 4,67 (m, 1H)
- (ii) 0,16 g Vinylacetat und 0,1 g Lipase PS wurden zu 0,32 g S-β-Hydroxybutyrolacton, das unter (i) erhalten worden war, gegeben. Die Mischung wurde unter Rühren bei 25 ºC 48 Stunden umgesetzt. Nach Beendigung der Reaktion wurde das Enzym durch Saugfiltration entfernt und der Rückstand mit Silicagel-Säulenchromatografie gereinigt, so dass 0,20 g S-β-Hydroxy-γ-butyrolacton (Ausbeute: 40 %) erhalten wurden. 85 %ee.
- [α]D²&sup8; +65,7º (C 0,90, EtOH)
- (Literaturwert: R-β-Hydroxy-γ-butyrolacton [α]D²³ +77,3º (C 2,0, EtOH), K. Mori et al, Tetrahedron, 35, 933 (1979)).
Claims (4)
1. Verfahren zur Herstellung eines optisch aktiven
Hydroxylactons, umfassend die Umsetzung, unter im
wesentlichen wasserfreien Bedingungen und in
Gegenwart eines Enzyms, von einem Ester und einer
racemischen Verbindung der allgemeinen Formel (I)
worin n 0 oder 1 ist, entweder R¹ oder R² eine
Hydroxygruppe ist, und R² = R³ = H oder R² = R³ = CH&sub3;
ist, wenn R¹ die Hydroxygruppe ist, und R¹ = R³ = H
ist, wenn R² die Hydroxygruppe ist, zur Bewirkung
einer Umesterungsreaktion, und Auftrennung in einen
optisch aktiven Alkohol, der die R- oder
S-Konfiguration hat und durch die Formel (II)
dargestellt wird:
worin n 0 oder 1 ist, entweder R¹ oder R² eine
Hydroxygruppe ist und R² = R³ = H oder R² = R³ = CH&sub3;
ist, wenn R¹ die Hydroxygruppe ist, und R¹ = R³ = H
ist, wenn R² die Hydroxygruppe ist; * bedeutet, dass
der Kohlenstoff ein asymmetrisches Atom ist, wenn das
Kohlenstoffatom mit der Hydroxygruppe verbunden ist,
und den Ester des symmetrischen Alkohols.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Enzym Lipase
ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ester ein
Vinylester ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der Vinylester
Vinylacetat ist.
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