DE69607778T2 - Verfahren zur enzymatischen Synthese von beta-laktam Antibiotika in Anwesenheit von einem Enzyminhibitor - Google Patents
Verfahren zur enzymatischen Synthese von beta-laktam Antibiotika in Anwesenheit von einem EnzyminhibitorInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten enzymatischen Prozeß zur Herstellung von Penicillinen und Cephalosporanen der Formeln (I) und (II)
- bei denen X für S oder CH&sub2;, R für einen ggf. substituierten 6-gliedrigen Kohlenwasserstoffring, R&sub1; für ein Wasserstoffatom, ein Halogenatom, eine Methylgruppe, eine Methoxygruppe, eine C&sub1;-C&sub4;-Alkenylgruppe oder eine Methylengruppe, die über ein Sauerstoff-, Schwefel- oder Stickstoffatom an einen organischen Rest gebunden ist, steht.
- Die US-A-3816253 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Penicillinen oder Cephalosporanen durch Umsetzen einer α-substituierten α- Aminosäure mit einem Derivat von 7-Aminocephalosporan- oder 7-Aminodesacetoxy-cephalosporansäure in Gegenwart eines aktiven Mikroorganismus oder Enzyms in wäßriger Lösung, bei einer Temperatur zwischen +5ºC und +50ºC, bevorzugt zwischen +20ºC und 40ºC. Es wurde gezeigt, daß, wenn man, wie in jenem US-Patent beschrieben, verfährt, die Ausbeute an dem gewünschten Endprodukt dadurch stark reduziert wird, daß parallel ablaufende Nebenreaktionen Nebenprodukte bilden, die nur unter Schwierigkeiten aus dem Reaktionsansatz abgetrennt werden können.
- In EP-A-0473008 wird eine Methode zur Herstellung von Penicillinen und Cephalosporanen der Formel (I) oder (II) vorgeschlagen, die dafür vorgesehen ist, die vorstehend genannten Nachteile zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren. Bei dieser Methode wird 6-Aminopenicillan- oder 7 Aminocephalosporansäure mit einer α-substituierten α-Aminosäure der Formel R-CH(NH&sub2;)-COOH oder einem reaktiven Derivat davon in Gegenwart einer immobilisierten Penicillinacylase umgesetzt, wobei die Reaktion in einem wäßrigen Medium bei einer Temperatur zwischen -5ºC und +20ºC, und vorzugsweise bei etwa +4ºC, durchgeführt wird.
- Die Reaktionsbedingungen sind in EP-A-0473008 ausführlich beschrieben, und es werden dort darüber hinaus 25 Herstellungsbeispiele mit sehr guten Ausbeuten (90% oder mehr) des gewünschten Endprodukts detailliert beschrieben.
- In diesem Zusammenhang sollte beachtet werden, daß ein Verfahren nur dann industriell angewandt werden kann, wenn die Ausbeuten genügend hoch (ungefähr 90%) sind und das Endprodukt in einfacher Weise gereinigt werden kann.
- EP-A-0473008 erwähnt allgemein α -substituierte α -Aminosäuren und deren reaktive Derivate zur Verwendung als Ausgangsmaterial, die einzige Aminosäure, die spezifisch erwähnt wird, ist D-Phenylglycinmethylester.
- Die Anmelder der vorliegenden Erfindung haben viele sorgfältige experimentelle Tests nach dem Verfahren, welches in den Beispielen, die in EP-A-0473008 angegeben sind, durchgeführt. Die erhaltenen Ergebnisse waren jedoch vollständig enttäuschend.
- In diesem Zusammenhang wurde bestätigt, daß, wenn im Reaktionsansatz das molare Verhältnis dieser Aminosäure geringer als 4 mol pro mol der verwendeten 6-Aminopenicillan- oder 7 Aminocephalosporansäure ist, die Ausbeute an gewünschtem Endprodukt sehr gering (weniger als etwa 60%) ist, und als solches für industrielle Zwecke nicht akzeptabel ist.
- Gute, industriell akzeptable Ausbeuten werden nur erhalten, wenn die Menge des D-Phenylglycinmethylesters in der Reaktion im Verhältnis von zwischen 4 und 6 mol pro mol der verwendeten 6-Aminopenicillan- oder 7 Aminocephalosporansäure vorliegt.
- In diesem Falle tritt nicht nur ein nichtakzeptabler Kostenanstieg (der Preis für D-Phenylglycinmethylester ist sehr hoch) auf, zusätzlich dazu bilden sich auch Nebenprodukte, die nur unter Schwierigkeiten oder gar nicht von den gewünschten Penicillinen oder Cephalosporanen der durchgeführten Reaktion abzutrennen sind.
- Es wurden Versuche durchgeführt unter Verwendung unterschiedlicher D-Phenylglycinester oder von Estern unterschiedlicher Aminosäuren. Allerdings scheiterten alle diese Versuche.
- Ebenso negative Ergebnisse wurden erhalten, wenn verschiedene reaktive Aminosäurederivate eingesetzt wurden.
- Die deutsche Patentanmeldung DOS 2214444 beschreibt die enzymatische Synthese von Cephalosporanen (insbesondere Cephalexin) durch Umset zen von 7 ADCA mit Phenylgycinamid in Gegenwart des Enzyms Penicillinacylase. Die erhaltenen Ausbeuten sind sehr gering.
- PCT/DK91/00188 (WO92/01061) und PCT/DK92/00388 (WO93/12250) beschreiben Methoden zur Herstellung von β-Lactamantibiotika durch enzymatische Acylierung, wonach ein Amid der Formel (III)
- mit 6-Aminopenicillan- oder 7 Aminocephalosporansäure in Gegenwart eines immobilisierten Penicillinacylaseenzyms umgesetzt wird.
- Diese Methoden können verwendet werden. Es wurde jedoch gezeigt, daß eine nennenswerte Menge des Amids (III) durch das Enzym selbst hydrolysiert wird und daß so die Anzahl der Verunreinigungen in den gewünschten Endprodukten zunimmt. Eine geringe Menge des Endprodukts wird ebenfalls durch das gleiche Enzym hydrolysiert.
- Schon seit der anfänglichen Anwendung der Penicillinacylase (E. C. 3.5.1.11) war es bekannt, daß dieses Enzym durch die Anwesenheit von Phenylessigsäure, Phenoxyessigsäure und/oder anderen Inhibitoren inhibiert wird, wobei das Enzym in deren Anwesenheit Aktivität verliert und die Katalyse dazu tendiert, anzuhalten. Dies ist ein Problem, wenn β-Lactamkristalle acyliert werden, die Spuren von Phenylessigsäure, Phenoxyessigsäure oder anderen Inhibitoren enthalten können.
- Diesem Problem wurde intensiv begegnet dadurch, daß Enzyme gesucht wurden, die eine solche Inhibition nicht zeigen (siehe D. D. Y. Ryu et al., Biotechnology and Bioengineering 1985, Bd. XXVII, S. 953-960; A. M. Blinkowsky et al., Enzyme Microbial Technology 1993, Bd. 15, S. 965-973). Die Enzyme (oft bekannt unter der Bezeichnung Ampicillinacylase oder --amidase, Cephalosporanacylase oder -amidase, cephalexinsynthetisierendes Enzym usw.) wurden ausgewählt und stammten aus verschiedenen mikrobiellen Quellen (Acetobacter spp., Xanthomonas spp.). Es ist jedoch keines dieser Enzyme kommerziell erhältlich, noch werden diese in einem großen Maßstab, wie er für industrielle Zwecke nötig wäre, hergestellt. Dieser Lösungsansatz ist daher wegen der Tatsache, daß eine erhebliche Investition in Forschung erforderlich wäre, um einen spezifischen Katalysator für die Synthese von β-Lactamantibiotika auszuarbeiten, ungünstig.
- Eine andere Methode, um die Enzyminhibition zu verhindern, ist die Inhibitoren vor der Ausführung der enzymatischen Acylierung zu entfernen, beispielsweise durch Extraktion mit organischem Lösungsmittel, wie in PCT/DK91/00188 beschrieben. Der Hauptnachteil dieser Methode ist genau die Verwendung von organischen Lösungsmitteln. Da die enzymatische Acylierung der β-Lactamkerne genau eingeführt wird, um auf die Verwendung der Lösungsmittel zu verzichten und daher umweltverträgliche Verfahren zu ermöglichen, folgt hieraus, daß dieser Lösungsansatz bisher noch keine zufriedenstellenden Ergebnisse ergeben hat.
- WO-A-9534675 offenbart und betrifft eine Methode zur Herstellung von β-Lactamantibiotika durch enzymatische Acylierung der zugrundeliegenden β-Lactamvorläufer (oder Zwischenprodukte), wobei die Methode den Zusatz von geringen Mengen von Modulatoren (Inhibitoren) zu den Reaktionsgemischen vorsieht, die die Vorläufer enthalten, um hierin geringe Konzentrationen von etwa 0,2 bis 100.000 uM zu erreichen, wie es in den Beispielen beschrieben und worin geschrieben steht, daß "eine zu hohe Konzentration des Modulators das Ablaufen der gewünschten Reaktion verhindert, unter allen Umständen die verwendbare Konzentration des Modulators in dem Reaktionsgemisch... vorzugsweise geringer als 100 mM ist".
- Da in den ungereinigten Lösungen, in denen die β-Lactamvorläufer durch enzymatische Hydrolyse hergestellt werden, die Modulatoren in Mengen vorhanden sind, die 10 bis 100mal höher - sogar bis zu 300.000 uM - als die in WO-A-95 34675 beschriebenen sind, bedeutet dies notwendigerweise, daß die entsprechend dieser Methode acylierten Vorläufer, die hier offenbart werden, bis zu einer substantiell reinen kristallinen Form gereinigt wurden.
- Während ihrer spezifischen Studien an Reaktionen, die durch Penicillinacylase katalysiert werden, entdeckten die Anmelder der vorliegenden Erfindung überraschenderweise, daß die Enzyminhibition verhindert werden kann, wodurch eine Synthese von β-Lactamantibiotika sogar in Gegenwart großer Mengen der vorstehend erwähnten Inhibitoren resultiert. In manchen Fällen ist es sogar möglich, die Enzyminhibition als für die Synthese günstige Bedingung einzusetzen, wie hier später beschrieben, durch Einführen einer bestimmten Menge eines Inhibitors, welcher anfänglich nicht oder nur in einer geringen Menge vorhanden war. Folglich betrifft die vorliegende Erfindung ein verbessertes enzymatisches Verfahren zur Herstellung von Penicillinen und Cephalosporinen der Formel (I) bzw. (II), wie hier schon ausgeführt, wobei eine ungereinigte Aminopenicillin- oder 7 Aminocephalosporansäure-Zwischenprodukte der Formel (IV) oder (V)
- bei denen X und R&sub1; die vorher beschriebene Bedeutung besitzen, bei einer Temperatur von zwischen -5ºC und +35ºC in Gegenwart eines Penicillinacylaseenzyms in freier oder immobilisierter Form, mit einem Amid der Formel (III)
- bei dem R die vorstehende Bedeutung besitzt, R&sub2; und R&sub3; jeweils unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom oder eine lineare oder verzweigte C&sub1;- C&sub3; Alkylgruppe oder Salze davon bedeuten, in einem Molverhältnis zwischen 1 und 6 mol des Amids (III) pro mol der Säure (IV) oder (V) umgesetzt wird.
- Bei den Formeln (I) und (II) kann R beispielsweise für eine Phenylgruppe, eine Cyclohexadienylgruppe oder eine entweder unsubstituierte oder mit einem Hydroxyl, einem Halogen, einem Alkyl, Alkoxy, Carboxyl, Nitro oder Amino substituierte Cyclohexanylgruppe stehen.
- R&sub1; kann für ein Wasserstoffatan, ein Halogenatom, eine Methylgruppe oder eine Methylengruppe, die an eine organische Gruppe und besonders an eine Alkoxy- oder Alkoxycarbonylgruppe oder an eine fünf- oder sechsgliedrige heterocyclische Gruppe, die 1 bis 4 Heteroatome, ausgewählt aus O, S und N, die an die Methylengruppe über ein O-, S- oder N-Atom gebunden sind, enthält, stehen und kann ggf. mit einer oder mehreren Gruppen, ausgewählt aus Hydroxyl, Halogen, Alkyl, Alkoxy, Carbonyl, Carboxy, Cyano, Amino und ähnlichem substituiert sein.
- Die Begriffe Alkyl und Alkoxy beziehen sich, wie hier verwendet, auf Gruppen, die 1 bis 6 Kohlenstoffatome und vorzugsweise 1 bis 4 Kohlenstoffatome umfassen.
- α-Aminosäuren, die Amide der Formel (III) besitzen, beinhalten beispielsweise D-Phenylglycin, D-p-Hydroxyphenylglycin und D-1,4-Cyclohexadien-1-yl-glycin.
- Geeignete Amidsalze sind solche anorganischer Säuren, wie Salzsäure, Flußsäure, Bromsäure, Schwefelsäure oder Salpetersäure oder organischer Säuren, wie Essigsäure, Ameisensäure oder Maleinsäure.
- Die folgenden Säuren sind in Bezug auf die Verbindungen der Formeln (IV) und (V) von besonderem Interesse:
- 6-Aminopenicillansäure (6-APA), 7 Aminodesacetoxycephalosporansäure (7-ADCA), 7 Aminocephalosporansäure, 7-Amino-3-chlorocephalosporansäure, 7-Amino-3-methoxycephalosporansäure, 7-Aminophenacetyldesacetoxycephalosporansäure, 7-Aminophenoxyacetyldesacetoxycephalosporansäure, 7-Amino-3- chlorcarbacephem, Penicillin G und Penicillin V.
- Penicillin G oder V und 7-Aminophenacetyldesacetoxycephalosporansäure werden allgemein als Rohmaterialien zur Herstellung von 6-APA bzw. 7-ADCA verwendet, wobei die letztere verwendet wird zur Herstellung von Ampicillin, Amoxycillin, Cephalexin und Cefadroxil. Bis zum jetzigen Zeitpunkt war es nötig gewesen, die Phenylessig- oder Phenoxyessigsäure von diesen Zwischenprodukten (6-APA und 7-ADCA) zu entfernen, um diese in enzymatischen Acylierungsreaktionen, wie beschrieben in PCT/DK91/00188, verwenden zu können. Die Fähigkeit, diese Verbindungen in Anwesenheit von Inhibitoren synthetisieren zu können, bedeutet, daß die Synthese in vorteilhafter Weise fortläuft, ohne die Notwendigkeit, die Zwischenprodukte zu reinigen, wodurch eine beträchtliche Verfahrensersparnis resultiert und die Verwendung organischer Lösungsmittel vermieden werden kann.
- Der Enzyminhibitor kann entweder schon zu Beginn der Synthese im Reaktionsgemisch vorhanden sein oder er kann jederzeit während des Verlaufs der Reaktion zugefügt werden. Der Inhibitor kann auch am Ende der enzymatischen Reaktion zugefügt werden, um die Produktreinigung und ganz allgemein die nachfolgenden Verfahrensschritte zu erleichtern.
- Das Enzym, welches als Katalysator in dem vorliegenden Verfahren verwendet wird, ist eine Penicillinamidohydrolase, klassifiziert als E. C. 3.5.1.11 (auch bekannt als Penicillinacylase, Penicillinhydrolase, Ampi cillinacylase usw.), die aus jeder mikrobiellen Quelle stammt und besonders von Xanthomonas-, Pseudomonas-, Arthrobacter-, Kluyvera-, Acetobacter-, Escherichia-, Bacillus- oder Acromonasstämmen. Enzyme, die von natürlichen oder gentechnisch veränderten Stämmen von Escherichia coli erhalten werden, sind besonders bevorzugt. Einige von diesen sind kommerziell und in immobilisierter Form erhältlich.
- Das Enzym kann in freier Form (d. h. löslich) verwendet werden oder es kann auf einer festen Matrix immobilisiert werden. Für die letzteren sind jene Träger, die eigens für die Immobilisierung von Biomolekülen vorgesehen sind, wie synthetische Epoxy- oder Azlactonharze, besonders bevorzugt.
- 9 g (42 mmol) 7 Aminodesacetoxycephalosporansäure und 15,7 g (100 mmol) D(-)-Phenylglycinamid wurden in Wasser gelöst (Endvolumen 300 ml). Die Lösung wurde auf etwa 4ºC gekühlt und auf pH 6,8 eingestellt, und dann in ein gekühltes Reaktionsgefäß überführt, welches an ein Kontrollsystem (nachstehend als der pH-Stat bezeichnet), welches den pH-Wert durch automatisches Hinzufügen von 4 N Schwefelsäure konstant hielt, angeschlossen war.
- 5400 IU des Penicillinamidohydrolaseenzyms in immobilisierter Form (auf Azlacton- oder Epoxyharz) wurden zu der beschriebenen Lösung zugefügt und bei konstant 4ºC und pH 6,8 inkubiert.
- Nach etwa 75 min wurde das Enzym durch Filtration aus der Lösung entfernt. Etwa 4 g β-Naphthol, gelöst in verdünnter Natriumcarbonatlösung wurden zu der Lösung hinzugefügt. 16,6 g des Produkts in Form eines Cephalexin/β-Naphtholkomplexes wurden mit einer molaren Ausbeute, bezogen auf den Ausgangskristall, von 74% erhalten. Hochwertiges Cephalexinmonohydrat wurde dann (durch bekannte Verfahren), ausgehend von dem β-Naphtholkomplex, erhalten.
- Synthese von Cephalexin in Gegenwart von Phenylessigsäure 17 g (0,077 mol) ungereinigte 7 Aminodesacetoxycephalosporansäure, die als Verunreinigung 1,18% Phenylessigsäure und 1,63% 7 Aminophenacetyldesacetoxycephalosporansäure enthielt, und 42,68 g (0,28 mol) D(-)- Phenylglycinamid wurden in Wasser gelöst, und es wurde auf ein Endvolummen von 600 ml eingestellt.
- Der pH-Stat wurde auf pH 7,6 und das Thermostat auf 2ºC eingestellt, 7560 IU immobilisiertes Enzym wurden verwendet, und die Reaktion wurde dann, wie in Beispiel 1 beschrieben, durchgeführt. Die Reaktion wurde nach 5 h und 30 min unterbrochen, und die Penicillinacylase abgefiltert. Das Produkt wurde mit 6 g β-Naphthol ausgefällt, wodurch eine molare Ausbeute von 87,5% erhalten wurde. Cephalexinmonohydrat wurde dann, wie in Beispiel 1 beschrieben, erhalten.
- 16 g (0, 048 mol) 7-Aminophenacetyldesacetoxycephalosporansäure wurden in Wasser unter Zusatz von genügend verdünnter NaOH-Lösung, um pH 8,0 zu erreichen, gelöst, wonach die Lösung auf 28ºC erhitzt wurde und mit Wasser auf ein Endvolumen von 320 ml verdünnt wurde und dann in ein geeignetes Reaktionsgefäß, verbunden mit einem pH-Stat und in einem temperaturkontrollierten Wasserbad eingetaucht, überführt wurde.
- Etwa 14000 IU Penicillinacylaseenzym in immobilisierter Form wurden zu dieser Lösung (Lösung A) zugefügt, wonach ein konstanter pH (durch Zusatz von 2 N NaOH) und konstante Temperatur eingehalten wurden.
- Eine wäßrige Lösung von D(-)-Phenylglycinamid in einer Konzentration von etwa 180 g/l (Lösung B) wurde getrennt hergestellt.
- Nach etwa 2 h Reaktionszeit wurden etwa 190 ml Lösung B zu Lösung A hinzugefügt, wobei pH und Temperatur nötigenfalls korrigiert wurden. Der pH wurde konstant gehalten durch Zusatz von 4 N Schwefelsäure.
- Nach 7 h wurde das Enzym durch Filtration unter Vakuum entfernt.
- Cephalexin wurde aus der resultierenden Lösung durch Ausfällen des Cephalexin/β-Naphtholkomplexes in einer Menge, die einer molaren Ausbeute von 80,8% entsprach, erhalten. Cephalexinmonohydrat einer Qualität, die für das Vermarkten ausreichend war, wurde aus dem Cephalexin/β-Naphtholkomplex durch bekannte Verfahren erhalten.
- Die Reaktion wurde wie in Beispiel 1 durchgeführt, es wurden allerdings 9,85 g (0,042 mol) 7-Amino-3-chlorcephalosporansäure verwendet. Am Ende der Reaktion wurden 1,5 g Phenylessigsäure, gelöst in verdünnter NaOH-Lösung, zugefügt, wonach ein Cefaclor/β-Naphtholkomplex, wie schon in den Beispielen 1 bis 3 bezüglich Cephalexin beschrieben, ausfiel.
- Die molare Ausbeute, bezogen auf die 7 Amino-3-chlorcephalosporansäure, betrug 70%. Cefaclormonohydrat wurde durch Zersetzung des Cefaclor/β-Naphtholkomplexes (durch bekannte Verfahren) erhalten.
- 6-Aminopenicillansäure (nachstehend als 6 APA bezeichnet) wurde, ausgehend von Penicillin G, durch enzymatische Hydrolyse unter Verwendung bekannter Methoden erhalten und wurde aus der wäßrigen Lösung durch Ausfällen mit Säuren isoliert. Das so erhaltene Produkt enthält Phenylessigsäureverunreinigungen.
- 20,8 g der feuchten ungereinigten 6-APA von 80%iger Stärke (0,077 mol) wurden in Wasser gelöst und mit D(-)-Phenylglycinamid, wie in Beispiel 2 beschrieben, gemischt, wodurch eine Lösung erhalten wurde, die etwa 0,7 g/l Phenylessigsäure enthielt. 6670 Units Penicillinacylase wurden hinzugefügt, und die Reaktion wurde durchgeführt, wie in Beispiel 2 beschrieben. Eine 82,4%ige 6-APA-Umwandlung wurde erhalten.
- 13 g (60,75 mmol) 7 Aminodesacetoxycephalosporansäure (7-ADCA), 46,5 g (230,84 mmol) D-Phenylglycinmethylester·HCl und 140 mg (1,03 mmol) Phenylessigsäure wurden in Wasser zu einem Endvolumen von 1000 ml gelöst. Die Acylierung wurde mit 17,5 g (3000 IU) Penicillin G-Acylase durchgeführt, wobei die Reaktionsbedingungen einen Anfangs-pH-Wert von 7,25 und eine Temperatur von 3ºC waren. Nach etwa 3 h waren 93% der 7- ADCA umgewandelt worden zu Cephalexin.
- Nach der 93%igen Umwandlung von 7-ADCA in Cephalexin war das Molverhältnis der synthetischen Cephalexinherstellung zu der hydrolytischen D-Phenylglycinbildung 2,15, verglichen mit 1,44, wie es ohne Inhibitor erhalten wurde.
Claims (2)
1. Verfahren zur Herstellung von Penicillin oder
Cephalosporin der Formel (I) oder (II)
wobei X für S oder CH&sub2;, R für einen gegebenenfalls
substituierten 6-gliedrigen Kohlenwasserstoffring und R&sub1; für ein
Wasserstoffatom, ein Halogenatom, eine Methylgruppe, eine
Methoxygruppe, eine C&sub1;-C&sub4;-Alkenylgruppe oder eine
Methylengruppe, die über ein Sauerstoff-, Schwefel- oder Stickstoffatom
an einen organischen Rest gebunden ist, stehen, dadurch
gekennzeichnet, daß ein ungereinigtes 6-
Aminopenicillan-Säure- oder 7-Aminocephalosporin-Säure-
Zwischenprodukt der Formel (IV) oder (V)
bei denen X und R1 die vorstehende Bedeutung besitzen, in
wäßrigem Medium bei einer Temperatur zwischen -5ºC und +35ºC
in Gegenwart eines Penicillinacylaseenzyms in freier oder
immobilisierter Form mit einem Amid der Formel (III)
wobei R die vorstehende Bedeutung besitzt und R&sub2; und R&sub3;
jeweils unabhängig voneinander für ein Wasserstoffatom oder
eine lineare oder verzweigte C&sub1;-C&sub3;-Alkylgruppe oder Salzen
davon stehen, in einem molaren Verhältnis zwischen 1 und 6
Molen des Amids (III) pro Mol der Säure (IV) oder (V) umgesetzt
werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das Amid (III) aus der Gruppe
bestehend aus D-Phenylglycin und dessen Salzen mit einer
organischen oder anorganischen Säure ausgewählt wird.
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