-
Verfahren zur Herstellung von Dihydrostreptomycin Es ist bekannt,
daß die beim Wachstum von Mikroorganismen der Art Streptomyces anfallenden Stoffwechselprodukte
sowohl in vitro als auch in vivo gegen pathogene Bakterien erhebliche antibiotische
Wirkung besitzen. Diese Stoffwechselprodukte wurden als Streptomycin bezeichnet.
Es wurde festgestellt, daß Streptomycin in, der Hauptsache ein Stoff der umstehenden
allgemeinen Formel ist. Dieser Stoff kann als Produkt einer hypothetischen Kondensationsreaktion
angesehen werden, bei der 21M1 Wasser abgespalten werden und zuckerartig:. Bindungen
zwischen den drei hauptsächlichen Gruppen der oben angegebenen Formel entstehen.
Die drei Hauptgruppen wurden als Streptidin (I), Streptose (II) und 2N-methyl-L-giukosamin
(11I) bezeichnet. Alsbald nach der ersten klinischen Verwendung des Streptomycins
wurde erkannt, daß weder die freie Base noch deren Salze ideale Chemotherapeutika
sind. Bei einigen Patienten wurden toxische Erscheinungen beobachtet, deren Schwere
wechselte. Derartige Erscheinungen waren z. B. Schmerzen am Ort der Einspritzung,
Übelsein, Schwindelgefühl, anaphylaktischer Schock (vergleichbar dem durch Histamin
und histaminähnliche Stoffe hervorgebrachten), Atembeschwerden, verminderter Blutdruck,
Gleichgewichtsstörungen, vorübergehende oder dauernde Schädigung oder gar voller
Verlust des Gehörs und Fettansammlung in der Leber.
-
Obwohl erkannt wurde, daß das reine S treptomycin oder seine Salze
sehr wohl giftig sein konnten,
so haben doch die erheblichen Qualitäts- und Quantitätsunterschiede in der Giftigkeit
des industriell hergestellten Streptomycins von einer Charge zur anderen zu der
Annahme geführt, daß zumindestens einige der beobachteten ungünstigen Wirkungen
durch Verunreinigunggen verursacht würden, welche bei der Extraktion oder anderen
Reinigungsverfahren unvollständig entfernt worden waren. Beispielsweise wurde die
anapnylaktische Reaktion dem Histamin oder ähnlichen Stoffen zugeschrieben, die
bekanntermaßen im Maisquellwasser vorhanden sind und vielleicht in das Endprodukt
mitgeschleppt wurden. Obwohl mit zunehmender Erfahrung, bei der Herstellung des
Stoffes verbesserte Verfahren für die Reinigung des Streptomycins angewandt wurden,
so ergab sich doch, daß diese unerwünschten physiologischen Erscheinungen zwar in
ihrer Stärke vermindert, aber nicht ganz ausgeschaltet werden konnten. Auch die
ganz reine Form von Streptomycin zeigte manchmal Symptome chronischer Giftigkeit,
wie Schwindelgefühl, Taubheit und andere Nervenstörungen, wenn ,das Produkt, wie
es bei der Behandlung von Tuberkulose notwendig ist, lange Zeit gegeben wurde.
-
Eine andere Form des Streptomycins, welches erheblich weniger ein
akutes Nervengift ist als Streptomycin, aber dieselben pharmakologischen und antibakteriellen
Eigenschaften beim Menschen besitzt wieder Ausgangsstoff, istdas Dihydrostreptomycin,
welches zur Zeit bei der Verabreichung wohl die am besten geeignete Form darstellt.
Dieser Stoff kann über lange Zeit hinaus mit viel weniger Gefahr der Schädigung
des Nervensystems gegeben werden, als das bei Streptomycin der Fall ist. Er zeigt
viel geringere Fälle von Schwindelgefühl und Gleichgewichtsstörungen, wie sie bei
der Anlvendung von Streptomycin beobachtet werden, und kann in größeren Dosen angewandt
werden.
-
Dihydrostreptomycin, welches ebensowie Streptomycin gewöhnlich in
Form des Sulfates angewandt. wird, unterscheidet sich in der chemischen Struktur
von Streptomycin nur dadurch, daß die Carbonylgruppe -des Streptoseanteils zur Carbinolgruppe
reduziert ist, während der Streptidin- und der N-methyl L-glukosaminanteil des Moleküls
unverändert bleibt. ;Das gegenwärtig angewandte Verfahren für die Herstellung von
Dihydrostreptomycin besteht in der Reduktion der Streptose-carbonylgruppe durch
Hydrierung von Streptomycintrihydrochlorid bei Atmosphärendruck in wäßriger Lösung
in Gegenwart eines Nickel- oder Edelmetall-Katalysators, z. B. eines Platin-Katalysators.
Bei der Reduktion. wird etwa i Mol Wasserstoff je Mol Streptomycin verbraucht, worauf
die Lösung, nach Entfernung des Katalysators durch Absaugen, der Gefriertrocknung
unterworfen wird. Man. kann das Produkt auch durch Fällmittel als weißes körniges
Pulver fällen, das beispielsweise eine Wirkung von ungefähr 75,0 Einheiten
je Milligramm hat im Vergleich zu einer Wirkung von ungefähr Soo Einheiten je Milligramm
für das reine Streptomycin, welches als Ausgangsstoff verwendet wird. Das D,hydrostreptomycin
bildet im Gegensatz zum Streptomycin keine Oxime oder Semicarbazone; es wird auch
durch Hydroxylamin in wäßriger Pyridinlösung beim pg q. nicht inaktiviert. Es wird
durch Behandlung mit wäßrigem Alkali nicht zum Maltol gespalten und auch von Cystein
nicht unter
denselben Bedingungen wie Streptomycin inaktivier t.
-
Dieses Verfahren zur Herstellung von DihyG1rostreptomyrin hat den
Nachteil der Verwendung eines sehr kostspieligen, Katalysators und hat weiter den
Nachteil, daß dieser Katalysator durch Kontaktgifte unbrauchbar wird, die üblicherweise
im Streptomycin vorhanden sind, wenn nicht ein besonders gereinigter Ausgangsstoff
verwendet wird. Die Reinigung des Streptomycins zur Entfernung der Katalysatorgifte
ist umständlich und kostspielig, nicht nur, weil dadurch die Anzahl der Veriahrensschritte
bis zum Endprodukt vergrößert wird, sondern auch durch die unvermeidlichen Verluste
an Material und Wirkungsgrad des verarbeiteten Streptomycins. Diese Verfahrensstufe
kommt außerdem zu den umständlichen Verfahren hinzu, welche notwendig sind, um physiologisch
wirksame Verunreinigungen des Streptomycins, wie Histamin und histaininähnliche
Verbindungen, ganz oder teilweise zu entfernen. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens
zur Herstellung von Dihydrostreptomycin besteht darin, daß es die Verwendung einer
geräumigen und kostspieligen Apparatur voraussetzt, wie sie für die katalytische
Hydrierung kennzeichnend ist.
-
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren vorgeschlagen, nach welchem
Di'hydrostreptomycin in einfacher Weise und mit guter Ausbeute dadurch erhalten
wird, daß Streptomycin mit einer besonders wirksamen Form von einatomigem Wasserstoff
(Wasserstoff in statu nascendi) umgesetzt wird, wobei die Streptose-earbonylgruppe
in die Carbinolgruppe umgewandelt wird. Das Hydrierungsmittel, welches erfindungsgemäß
verwendet wird, ist vom chemischen Standpunkt aus völlig verschieden von dem üblichen
gasförmigen Wasserstoff, da dieser vergleichsweise verhältnismäßig iilert und chemisch
wenig reaktionsfähig ist. Die Verwendung dieser hocllreal:tionsfä'nigen Form des
asserstoffes verleiht dem urerfahren gemäß der Erfindung den sehr wichtigen Vorteil
gegenüber den bekamlten Verfahren zur Hersteliung von Dilivdrostreptomycin. daß
die Verwendung kostspieliger Katalysatoren vermieden wird und ein Streptoinycin
als Ausgangsstoff verwendet werden kann, welcher nicht so frei von physiologisch
inaktiven Spuren von Verunreinigungen sein muß, die als Kontaktgifte wirken können.
-
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung gegenüber
dem katalytischen Verfahren besteht darin, daß unerwarteterweise gefunden wurde;
daß das Endprodukt weniger Histamin oder histaminähnliche Verunreinigungen enthält
als das Diilydrostreptomycin, welches durch katalytische Hydrierung einer anderen
Probe desselben Ausgangsstoffes erhalten wird. Diese unerwartete Verbesserung in
der Reinheit des Endproduktes ist von erheblicher Bedeutung vom Standpunkt der industriellen
Verwertun - des Verfahrens, da es das kostspielige Reinigungsverfahren abkürzt,
nach welchem die physiologisch wirksamen Verunreini-@ungeii auf ein therapeutisch
zulässiges Mali 'her-
| abgesetzt und wodurch die Hersteilungkosten ver- |
| ringert werden. Ein weiterer Vorteil des erfindungs- |
| gemäßen Verfahrens gegenüber der katalytischen |
| Hydrierung besteht darin, daß keine wertvoilen |
| Spezialeinrichtungen benötigt werden, wie sie bei |
| der katalytischen Hydrierung notwendig sind. |
| Das Verfahren der Erfindung besteht darin, daß |
| das Streptomycin mit einem Reduktionsmittel redu- |
| ziert wird, welches in der Lage ist, die Ald-ehyd- |
| gruppe in die Carbinolgruppe überzuführen, wobei |
| als Reduktionsmittel Wasserstoff in. statu nascendi |
| angewandt wird. Dadurch wird das Streptomyein |
| in Dihy drostreptomycin umgewandelt. Der erfin- |
| dungsgemäß zu verwendende Wasserstoff kann |
| durch Elektrolyse eines Wasserstoffionen enthalten- |
| den Elektrolyts erhalten werden. Er kann auch |
| durch Umsetzung eines Elementes, welches in der |
| Spannungsreihe unter demWasserstoff stellt, durch |
| Einwirkung auf eine Wasserstoff enthaltende polare |
| Verbindung entstehen. Diese beiden Verfahrens- |
| weisen sind nicht ganz gleichwertig, da nach dein |
| elektrolytischen Verfahren atomarer Wasserstoff |
| erhalten wird, welcher erheblich größere chemische |
| Wirksamkeit besitzt als der Wasserstoff, der durch |
| chemische Umsetzung erzeugt wird. Im ersten Fall |
| wird außerdem das Verfahrenserzeugnis nicht durch |
| \Tebenprodukte verunreinigt. Demnach wird das |
| elektrolytische Verfahren zur Herstellung atomaren |
| Wass--rstoffes bevorzugt. |
| Gemäß der bevorzugten Ausführungsform der |
| Erfindung wird eine wäßrige, praktisch neutrale |
| Elektralytlösung, die Streptomycin enthält, bei |
| Raumtemperatur oder leicht erhöhter Temperatur |
| der Elektrolyse unterworfen. Dabei wird eine |
| Kathode aus einem Metall verwendet, welches eine |
| hohe Wasserstoffüberspannung besitzt und ein |
| Kathodenpotential, welches nahe bei, jedoch vor- |
| zugsweise unter dem Potential liegt, welches für |
| die Entwicklung gasförmigen Wasserstoffes an der |
| Kathode erforderlich ist. Dabei wirkt das Strepto- |
| mycin als Depolarisator an der Kathode und |
| bildet das Dihydrostreptoinvcin. Bei der Elektrolyse |
| kann die Halbzel_'.enreaktion an der Kathode ;vie |
| folgt wiedergegeben werden: |
| (i) H+ -I- Elektron = (H) |
| (2) 2 (H) -f- Streptomycin = Dihydrostrepto- |
| mycin. |
| Es ist klar, daß, sobald die Reaktionsgescll@vindig- |
| keit der Umsetzung (i) diejenige der Umsetzung (2) |
| übertrifft, das Kathodenpotential allmählich. an- |
| steigt und daß, sobald dieses genügend hoch ist, |
| gasförmiger oder molekularer Wasserstoff frei wird. |
| Dadurch wird die Stromausbeute bei der Reduktion |
| des Streptomycins verschlechtert, da molekularer |
| Wasserstoff in Abwesenheit von Katalysatoren nur |
| ein geringes Reduktionsvermögen hat. Unter ge- |
| wissen Umständen, bei denen es erwünscht ist, gas- |
| förmigen Wasserstoff zu erzeugen, um z. B. eine |
| Durchmischung des Katholyten in der unmittel- |
| baren Umgebung der Kathode zti bewirken, kann |
| diese Begrenzung der Betriebsspannung unbeachtet |
bleiben, und- es können höhere Spannungen während der Elektrolyse
verwendet werden.
-
Vorzugsweise wird bei der Durchführung des elektrolytischen Verfahrens
der vorliegenden Erfindung ein nicht homogener Elektrolyt verwendet, da hierdurch
die beste Verwertung !des Ausgangsmaterials gewährleistet ist, indem Zersetzung,
Inaktivierung oder Umsetzung in unerwünschte Nebenprodukte auf ein geringes Maß
herabgesetzt werden. So kann das gesamte, ursprünglich in den Elektrolyten eingeführte
Streptomycin auf den Katholyten in unmittelbarer Umgebung der Kathode beschränkt
werden, zumindestens während des Beginns der Elektrolyse, wo die Reduktion zum Dihydrostreptomycin
stattfindet. Mit Hilfe einer für den Elektrolyt semipermeablen Wand kann Dihyd-rostreptomycin
vom Anolyten ferngehalten werden, wo keine Reduktion stattfindet, sondern statt
dessen Oxydation und Zersetzung. Obwohl ein nicht homogener Elektrolyt bevorzugt
zur Anwendung kommt, so kann, falls erwünscht, auch ein homogener Elektrolyt verwendet
werden.
-
Der verwendete Katholyt besteht vorzugsweise aus einer wäßrigen oder
wäßrig-alkoholischen Lösung des Streptomycins, welches in Form eines Salzes einer
anorganischen Säure vorliegen kann, wie beispielsweise Streptomycinsulfat und Streptomycin'hydrochlorid.
Der Katholyt kann im übrigen auch ein Mittel enthalten, welches die Leitfähigkeit
der Lösung erhöht, wie eire leicht ionisierendes anorganisches Salz. Wäßrige Lösungen
von derartigen Streptomycinsalzen haben im allgemeinen einen pH-Wert von weniger
als 7,o und da, wie gefunden wurde, die beste anfängliche Wasserstoffionenkonzentration
im Katholyten mindestens bei pli 5 und vorzugsweise über pH 7 liegt, ist es zweckmäßig,
dem Katholyten vor Gebrauch einen alkalischen Stoff, wie verdünnte Natronlauge oder
Sod'alösung, zuzusetzen, wodurch das pH der Lösung erhöht wird. Das px soll jedoch
nicht über 8,5 liegen. Die Konzentration des Streptomycinsalzes im Katholyten ist
gleichgültig und kann innerhalb sehr weiter Grenzen eingestellt werden, wobei die
obere Grenze lediglich durch die Unbequemlichkeit des Arbeitens mit einer sehr konzentrierten
und dadurch viskosen Lösung, und die untere Grenze durch den schlechten Wirkungsgrad
beim Arbeiten mit sehr verdünnter Lösung gegeben ist. Abgesehen von der niedrigen
Umsatzgeschwindigkeit zum Dihydrostreptomycin besteht hier die Schwierigkeit, daß
sich kleine Mengen des Erzeugnisses aus großen Lösungsmittelmengen nur schwer gewinnen
lassen. Aus diesen praktischen Gründen wird erfahrungsgemäß die beste Ausgangskonzentration
,des Streptomycins im Katholyten auf etwa 5 bis 25 Teile Streptomycin, als freie
Base oder Salze berechnet, auf zoo Teile Lösung angewendet. Die bevorzugte Konzentration
des Streptomycins im Katholyten beträgt ungefähr 5o ooo bis 25o ooo Einheiten je
Kubikzentimeter. Ist die verwendete Lösung in ihrem Streptomycingehalt so verdünnt,
daß ihr elektrischer Widerstand unerwünscht hoch ist, kann ein anorganisches Salz,
wie Natriumsulfat oder Natriumbisulfat, beigegeben werden, um die Leitfähigkeit
des Katholyten zu erhöhen. Unter ge-
wissen Bedingungen kann es auch zweckmäßig
sein, einen wäßrig-alkoholischen Kathol.yten zu verwenden; jedoch ist im allgemeinen
diese Art des Katholyten weniger zufriedenstellend als alkoholfreie Lösungen.
-
Der erfindungsgemäß verwendete Anolyt kann jeder gut leitende Elektrolyt
sein, wie die Lösung einer anorganischen Säure, beispielsweise Schwefelsäure, oder
eine Lösung eines leicht ionierenden Salzes, beispielsweise Zinksulfat, Natriumsulfat
oder Natriumbisulfat. Eine wäßrige 2ogewichtsprozentige Schwefelsäure hat sich als
befriedigend erwiesen oder, falls erwünscht, kann auch eine wäßrige 1prozentige
Natriumsulfatlösung verwendet werden. Natürlich sollte bei der Verwendung einer
Salzlösung als Andlyt die Salzkonzentration so eingestellt werden, daß ihr osmotisc'her
Druck sie nicht dazu veranlaßt, durch die semipermeable Wand in den Katholyten zu
.diffundieren und umgekehrt.
-
Da die Reduktion des Streptomycins zum Dihydrostreptomycin erfindungsgemäß
an der Kathode stattfindet, ist das Kathodenmetatll bei der praktischen Durchführung
des Verfahrens von Wichtigkeit. Metalle mit niedriger Wasserstoffüberspannung, wie
Platinmetalle, die bekanntlich die besten Katalysatoren für Hydrierungen sind, eignet
sich am wenigsten als Kathodenmaterial. Am besten eignen sich Metalle, .die eine
sehr hohe Wasserstoffüberspannung haben, da durch sie .die Wirksamkeit des atomaren
Wasserstoffes in statu nascendi erhöht und so die Reduktion der Streptoseearbonylgruppe
erleichtert wird.
-
Das Elektrolyseverfahren der vorliegenden Erfindung wird .demnach
vorzugsweise unter Verwehr d'ung einer Kathode aus einem Metall mit hoher Wasserstoffüberspannung
durchgeführt; je höher die Überspannung, desto besser, soweit nicht andere Faktoren
die Verwendung eines derartigen. Metalls ausschließen. Quecksilber beispielsweise
hat die höchste Wasserstoffüberspannung unter den üblichen Metallen und sollte demnach
eigentlich das wertvollste Metall für das vorliegende Verfahren sein. Seine Flüssigkeit
jedoch begrenzt seine Anwendbarkeit auf flache Behälter, in denen es auf dem Boden
liegt, wobei seine wirksame Oberfläche gleich dem Flüssigkeitsspiegel ist. Dies
und die für seine technische Anwendung große Kapitalanlage haben bei der technischen
Anwendung die Verwendung des flüssigen Quecksilbers verhindert.
-
Das bevorzugte Kathodenmaterial ist Blei, welches besonders in höchst
gereinigter Form, mit einer Schicht von schwammigem Blei überzogen, besonders wertvoll
ist. Die Aktivierung der Kathode kann dadurch leicht erreicht werden, daß sie zunächst
als Anode bei der Elektrolyse verdünnter Schwefelsäure geschaltet und dann als Kathode
für die Elektrolyse einer frisch zubereiteten wäßrigen alkalischen Alkaliplumbitlösung
verwendet wird, z. B. einer verdünnten Natronlauge, in welcher Natriumplumbit gelöst
ist. Nachdem sich auf der Elektrode ein schwammiger Bleiniederschlag
gebildet
`hat, wird die Elektrode aus dem Bad genommen und mit destilliertem Wasser vor ihrer
Verwendung sorgfältig gespült. Es ist erwünscht, die Kathode in Röhrenform oder
mit Einprägungen zu verwenden, um eine möglichst große Oberfläche je Gewichtseinheit
zu erzielen. Erfahrungsgemäß haben sich Kathoden aus mit Quecksilber amalgamierten
Blei als weniger zweckmäßig erwiesen als die aus aktivem Blei. Elektroden aus Kohlenstoff,
Platin oder Eisen sind unzweckmäßig, da bei ihrer Verwendung die Reduktion des Streptomycins
nicht in der gewünschten Weise verläuft.
-
Die in der Durchführung des Verfahrens der Erfindung verwendeten Anoden
haben zweckmäßig eine sehr kleine wirksame Oberfläche, die in ihrer elektrischen
Kapazität gerade genügt, den Strom, der während der Elektrolyse durch die Zelle
geht, weiter zu führen. Die Anode kann. aus jedem elektrisch gut leitenden Material
hergestellt sein, welches den Anolyten nicht beeinflußt und von demselben ebenfalls.
nicht angegriffen wird. Ein geeigneter Anodenwerkstoff ist Kohle, Platin, Blei,
Bleisilber und Blei-Antimon, wobei Kohlenanoden bevorzugt sind, wenn das Streptomycinsalz
als Trilhydrochlorid vorliegt, während Antimon- und Bleielektroden den Vorzug genießen,
wenn. der Elektrolyt Streptomycinsulfat enthält. In diesem Fall verwendet man vorzugsweise
eine Legierung von Blei, die etwa 5 bis 6°/oAntimon enthält. Diese Legierung hat
den. Vorteil, wohlfeil, leicht zugänglich, leicht verformbar zu sein und ausgezeichnete
elektrische Eigenschaften zu besitzen.
-
Das Gefäß, in welchem die Elektrolyse vorgenommen wird, kann aus jedem
Werkstoff bestehen, welcher die gewünschten physikalischen Eigenschaften besitzt
und die Umsetzung nicht stört. Geeignete Gefäße sind solche aus Glas oder Keramik,
vorzugsweise glasiert. Wie obenerwähnt, wird zweckmäßigerweise der Anodenteil der
Zelle vom Kathodenteil getrennt, was leicht durch die Anordnung einer semipermeablen
Membran oder einer Glasfritte oder eines porösen keramischen Stoffes zwischen den
beiden Zonen bewirkt wird. Die Porosität der Membran wird so gewählt, daß der meßbare
Wiederstand des Elektrolyts zwischen den beiden Elektroden durch Einsetzen der Membran
nicht erhöht wird, wobei trotzdem die Diffusion des Streptomycins und Dihydrostreptomycins
aus den Katholyten an die Anode stark herabgesetzt wird. Eine wohlfeile und einfache
Form der Zelle kann dadurch hergestellt werden, daß die gewählten Elektroden in
vorbestimmtem Abstand in ein Glasgefäß eingeführt werden, beispielsweise ein Akkumulatorengehäuse.
Die Anode wird dann darin in einem gefritteten Becher aus Glas oder Aluminiumoxyd
oder einer einseitig geschlossenen Röhre angebracht, wobei das Fassungsvermögen
des Gefäßes so groß sein muß, daß der gesamte Katholyt, ohne in den Becher überzutreten,
aufgenommen wird. In den Glasbecher wird dann der gesamte Anolyt eingefüllt.
-
Die elektrolytische Reduktion des Streptomycins zum Dihydrostreptomycin
wird durch die Temperatur beeinflußt. Sie wird durch Temperaturerhöhung begünstigt,
jedoch wird der Vorteil, den man hierdurch erzielt, mehr als wett gemacht durch
den Nachteil, daß das Streptomycin und seine Reduktionsprodukte thermolabile Stoffe
sind und durch Erhitzung unwirksam werden. Es wurde gefunden, daß dabei Temperaturen
von unter 55° mit Vorteil verwendet werden und daß die beste Ausbeute in einem Bereich
von 2,5 bis 30° erzielt wird, also etwa bei Raumtemperatur. Auch Temperaturen
bis zu to' können angewandt werden, jedoch wird dadurch die Leitfähigkeit der Zellen
und die erhöhte Viskosität des Katholyten als Nachteil in Kauf genommen. Um den
Elektrolyt während der Elektrolyse bei einer optimalen Temperatur zu halten, muß
derselbe gekühlt werden, da er durch den durchgehenden Strom erwärmt wird. Zweckmäßig
werden. röhrenförmige Elektroden verwendet, die von innen gekühlt werden. Das Rühren
des Elektrolyts erleichtert die Kühlung.
-
Die Geschwindigkeit, mit der Streptomycin durch Elektrolyse umgesetzt
werden kann, hängt von. den Geschwindigkeiten der oben beschriebenen Reaktionen
(r) und (a) ab. Die Geschwindigkeit der Reaktion (z) hängt wieder von der Anwesenheit
von Wasserstoffionen im Katholyten und der Dichte des Stromes, an der Kathode ab,
welcher dem Kathodenpotential direkt proportional ist. Ist die Stromdichte so, daß
der atomare Wasserstoff in statu nascendi nicht voll. vom Streptomycin ausgenutzt
wird, so entsteht gasförmiger molekularer Wasserstoff. Dies bedeutet, daß die elektrische
Energie nicht zweckmäßig genutzt ist, da sie nicht der Herstellung des Dihydrostreptomycins
dient. Die volle Ausnutzung des atomaren Wasserstoffes durch das Streptomycin wird
offenbar dadurch gewährleistet, daß derselbe in einer hoch wirksamen Konzentration
an :der Kathode vorhanden ist, was am ,besten dadurch erreicht wird, daß eine möglichst
konzentrierte Streptomycinlösung im Katholyten verwendet wird und der Katholyt während
der Elektrolyse ständig gerührt wird, um sicher zu sein, daß das gesamte Streptomycin
mit der Kathodenoberfläche, an der der atomare Wasserstoff gebildet wird, in Berührung
kommt. Auf diese Weise kann das. Kathodenpotential erheblich über den Schwellenwert
gesteigert werden, der notwendig ist, um einen gleichmäßigen Strom durch die Zellen
zu schicken. Durch Verwendung derartig hoher Kathodenpotentiale kann die Stromdichte
auf einer zweckmäßigen Höhe gehalten werden, die nur durch die Erhitzung des Elektrolyts
durch den Widerstand in. der Zelle begrenzt ist. Obwohl der Schwellenwert des Kathodenpotentials
nur 2 Volt ist und diese Spannung dem Zersetzungspotential des Streptomycins und
ungefähr der Wasserstoffüberspannung geeigneter Metallelektroden der oben. angegebenen
Art entspricht, ist bei wirksamer N utzung ,des atomaren Wasserstoffes mit der Geschwindigkeit,
in der er erzeugt wird, die Durchführung des Verfahrens ohne Entwicklung von Wasserstoffgas
bei Kathodenpotentialen bis zu 6o Volt möglich. Die Verwendung höherer Spannungen
ergibt zu
hohe Erhitzung des Elektrolyts, welche ihrerseits Zerstörung
und Unwirksammachung des Streptomycins oder Dihydrostreptomycins zur Folge haben.
Daher werden besonders Betriebsspannungen zwischen 15 und 30 Volt als brauchbar
angesehen. Die zweckmäßige Stromdichte liegt bei diesem Verfahren zwischen o,i und
o,oi Ampere je Quadratzentimeter wirksamer Kathodenoberfläche.
-
Während der Elektrolyse werden im Katholyten Wasserstoffionen in atomaren
Wasserstoff verwandelt, und so ist es ,klar, daß die daraus sich ergebende Erhöhung
des pH-Wertes die,Ges.chwind'igkeit der Umsetzung (i) herabsetzt und daß, wenn der
Katholyt sehr alkalisch wird, d. h. wenn ein pH von erheblich über 8,5, beispielsweise
pH 12, entsteht, das Streptomycin inaktiviert wird. Um dies. zu vermeiden, wird
eine Säure oder ein säurebildender Stoff ab und zu dem Kat'holyten in solcher Menge
zugesetzt, um das pH unter 12 zu halten; vorzugsweise zwischen 5,o und 8,5; Geeignete
Stoffe sind Schwefelsäure und Salzsäure.
-
Die Beendigung der Umwandlung von Streptomycin in Dihydrostreptomycin
- kann durch Bestimmung des nicht umgesetzten Streptomycins in Katholyten verfolgt
werden. Diese Bestimmung .erfolgt z. B. durch -polarographische Analyse oder durch
chemische Analyse, wobei am bequemsten das Mal:tolverfahren ist. Dieses Verfahren
beruht darauf, daß das Streptomycin., welches in Gegenwart von verdünnrtem- Alkali
erhitzt wird, Maltol bildet (2-Methoxy-3-oxy-y-pyrDn). Maltol bildet sich aus dem
Streptoseanteil des Streptomycinmolel#züls und zeigt im ultravioletten: Bereich
des Spektrums eine charakteristische.Absorption. Mit Eisenammoniums.ul,fat bildet
es eine Färbung, welche noch bei 5oo bis 25.0o y Streptomycin anspricht. Verwendet
man das Phenolreagens von F o l i n und C i o c a l t e a u (Journ.- Biol. Chem,,
Ba. 73, S. 627 [1927]), so wird dieser Test noch bei zo bis 2501 empfindlich. Das
Dihydrostreptomycin bildet kein Maltol unter den Bedingungen des Testes. Erfahrungsgemäß
wird ein Endpunkt für die Reaktion erreicht, wenn der Maltolrest zeigt, .daß das
Streptomycin im Katholyten auf 1l/2 % seines Anfangswertes vermindert ist.
-
Ist die Reduktion beendet, so wird das pH des Katholyten mit Schwefelsäure
auf ungefähr 7,o eingestellt und dann, während die Elektroden unter Spannung gehalten
werden, der Katholyt in ein Vorratsgefäß übergeführt, filtriert, von Blei und anderen
Schwermetallen befreit und vor dem Entwässern gereinigt. Beim Entwässern wird das
Dihydrostreptomycin in festem Zustand erhalten.
-
Blei und andere Schwermetalle, die in Spuren anwesend sein können,
z. B. im Verhältnis i : i ooo ooo, können aus der filtrierten Dihydrostreptomycinlösung
durch Behandlung mit Ionenaustauschern entfernt werden. Geeignet sind dabei Phenolformaldehydionenaustauscher,
die unter dem Warenzeichen »Amb,erlite IR-4B« und »Amberlite IR-i2o« im Handel sind.
Verunreinigungen können durch Behandlung der Lösung mit Kohle entfernt werden, -
-Beispiel i Ein glasiertes Steingutgefäß von ungefähr 701
Inhalt wird mit
einer Elektrode versehen, die aus einem wendelförmig gewundenen Rohr aus einer Antimon-Blei-Legierung
besteht. Sie wird nahe an der Innenwand des Gefäßes so angebracht, daß beide Enden
aus dem Gefäß herausragen. Ein zylindrisches poröses Terrakottagefäß mit ungefähr
gleichbleibendem äußeren Durchmesser, der etwas kleiner ist als der Innendurchmesser
der ersten Elektrode, wird parallel zur ersten Elektrode angeordnet und eine zweite
Elektrode aus reinem Blei, die als Rohrschlange ausgebildet ist, in das poröse Gefäß
hineingestellt, wobei die Enden der Elektrode aus der Öffnung des Gefäßes herausragen.
In der als Schlange ausgebildeten Bleielektrode wird ein zweites Terrakottagefäß
angeordnet, in welchem wiederum eine dritte Elekirod-e aus einer Antimon-Blei Legierung
angeordnet ist. Die erste und dritte Elektrode sind die Anoden der Zelle, die zweite
Elektrode ist die Kathode. Zum Rühren des Elektrolyts in Nachbarschaft der Kathode
ist ein Rührer vorgesehen.
-
Die Zonen zwischen dem Außengefäß und dem ersten porösen Gefäß sowie
das zweite poröse Gefäß werden mit Anolyten gefüllt, die aus einer 201/o-igen wäßrigen
Schwefelsäure besteht. Der Zwischenraum zwischen dem ersten und zweiten porös°ii
Gefäß wird mit einer wäßrigen Lösung von Streptomycinsulfat als Katholyt versehen,wobei
das Streptomycinsulfat mindestens eine Wirksamkeit von ungefähr Zoo ooo Einheiten
je Kubikzentimeter haben soll. Das verwendete Streptomycinsulfat braucht nicht hoch
gereinigt zu werden; man kann ein Salz verwenden, dessen Wirksamkeit ungefähr 7oo
Einheiten je Milligramm beträgt, wenn auch natürlich die Verwendung eines reineren
Salzes zweckmäßiger ist.
-
Durch jede der Elektroden wird ein. Kühlmittel geleitet und dem Katholyten
während der Elektrolyse zur Aufrechterhaltung der Wasserstoffionenkonzentration
laufend Säure zugesetzt. Die Gleichstromquelle soll eine Höchstkapazität von ungefähr
75o Ampere bei ungefähr i2 Volt haben. Sie wird, in üblicher Weise an die Elektroden
angeschlossen.
-
Nach Einschalten des Rührers und des Kühlmittels wird durch Einschalten
des Zellenstromes mit ungefähr 300. bis q.oo Ampere die Herstellung des Dihydrostreptomycins
im Katholyten begonnen. Der Elektrolyt wird auf eine Temperatur von ungefähr 2,5
bis 30° gehalten und dem Katholyten ab und zu Schwefelsäure zugesetzt, so daß der
pH-Wert zwischen 7 und 8,5 gehalten wird.
-
Während der Elektrolyse werden dem Katholyten von Zeit zu Zeit Proben
entnommen und auf Streptomycingehalt nach dem Maltolverfahren analysiert. Ist der
Streptomycingehalt auf ungefähr il/2o/o seines Anfangswertes zurückgegangen, so
wird die Reduktion des Streptomycins zum Dihydrostreptomycin als praktisch vollendet
angesehen. Der Katholyt wird der Zelle entnommen, nachdem sein pl, auf ungefähr
7,o eingestellt ist. Der Strom wird während dieser Zeit nicht abgestellt.
Die
Dihydrostreptomycinlösung kann zur Entfernung von Blei und anderen Schwermetallen
sowie von Verunreinigungen in an sich üblicherweise einem Reinigungsverfahren unterworfen
werden.
-
Beispiel 2 E121 Akkumulatorengehäuse mit einem Inhalt von
20 I wird als Elelztrolytzelle verwendet. In das Gehä use wird eine Schicht
flüssiges Quecksilber am Boden eingefüllt, wobei Mittel vorgesehen sind, um diese
Schicht mit einer äußeren Stromquelle zu verbinden. In dem Gehäuse wird ein Paar
lang-:;estrecht-er Elektroden senkrecht angeordnet, die voneinander und von der
Ouecl:silberschicllt in einem gewissen Abstand stehen. Die Elektroden l@estelien
aus einem röhrenförmigen gefritteten Glasbecher, der ein Bündel von Kohlenstäben
um-"ilzt. Die Kohlenstäbe sind an eine Stromquelle angeschlossen. Der gefrittete
Glasbecher wird mit verdünnter Schwefelsäure als Anolyt und das Akkumulatorengehäuse
dann bis zur selben Höhe mit Katholyt gefüllt, der aus einer wäßrigen Lösung von
Streptomycinsulfat besteht. Etwa io 1 des Katholyten mit einem Streptomycingehalt
von ungefähr 700007 je Kubikzentimeter können verwendet werden.
-
An die Elektroden wird dann Strom angelegt, wobei die Quecksilberschicht
als Kathode dient. Der Katholyt wird durch eine geeignete Vorrichten geriihrt. Die
Elektrolyse dauert 37 Stunden, mit einem gleichbleibenden Strom von 5 Ampere bei
15 Volt. Der Katholyt wird auf einer Temperatur von 37 - 2° gehalten. Nach dieser
Zeit ist cler Streptomycingehalt des Katholyten, nach dein Maltolverfahren bestimmt,
auf weniger als a0/0 gesunken, während die biologische Wirksamkeit gegenüber demAusgangswert
praktisch unverändert bleibt. Der Katholyt wird der Zelle entnommen, ohne den Strom
an den Elektroden. abzuschalten und wird dann, wie im Beispiel i beschrieben. weiter
aufgearbeitet. Beispiel 3 In einem aoo-ccm-Kolben, der als Kathode am Boden eine
Quecksilberschicht und als Anode eine Elektrode aus einem Kohlestab in einem porösen
Becher mit verdünnter Sch«=efelsäure enthält, werden etwa ioo ccm einer Streptomycinsulfatlösunb
mit einer biologischen Wirksamkeit von ungefähr 75800 ,^. je Kubikzentimeter
73/a Stunden bei Raumtemperatur mit einem Strom von 30o bis .Ioo Milliampere bei
2o Volt elektrolysiert. Nach dieser Zeit ergibt eine Probe der Streptomycinsulfatlösunb
nach dem Maltolverfahren, daß der Str"ptomyciiigehalt auf etwa 1,3% gesunken ist,
während die biologische Wirksamkeit der Lösung gleich geblieben ist. Bei einer anaesthesierten
Katze als Versuchstier bewirkte das so herbestellte Diliydrostreptomycin einen Abfall
des Blutdruckes um etwa Smm Quecksilber. Dihydrostreptomvein aus der katalytischen
Hydrierung einer anderen Probe desselben Streptomycins ergab bei derselben Katze
einen Abfall des Blutdruckes um 3o mm. Daraus ergibt sich, daß das katalytisch hydrierte
Material einen wesentlich höheren Histamingehalt hat als das elektrolytisch reduzierte.
Das als Ausgangsmaterial verwendete Streptomycinsulfat bewirkte bei demselben Versuchstier
eine Verminderung des Blutdruckes von etwa 33 mm Quecksilber. Beispiel Das im Beispiel
3 beschriebene Verfahren wird wiederholt, jedoch wird für die Elektrolyse ein Strom
von 2 bis .4 Ampere und etwa 6o Volt angewandt. Nach etwa 1q. Minuten wird fest-,
stellt, daß die biologische Wirksamkeit des Katholyten praktisch unverändert ist,
obwohl sich durch Analyse nachw-eis.,-n läßt, daß Streptomycin in der Lösung nicht
mehr vorhanden ist. Es wurde festgestellt, daß hei diesem hohen Kathodenpotential
der Elektrolyt übermäßig heiß wird und dala es darum zweckmäßig ist, den Strom zeitweise
zu unterbrechen, so daß in den Zwischenzeiten. zwischen den einzelnen Stromstößen
mindestens ein Teil der erzeugten Wärme sich verteilen kann. Beispiel Mit derselben
Vorrichtung und nach demselben Verfahren wie im Beispiel q. werden 15- Streptoinycinhydrochlorid
in ioo ccm Wasser der Elektrolyse unterworfen, bis der Streptomycingehalt vorn Ausgangswert
von i i i ooo y je Kubikzentimeter auf etwa 1400 ;1 je Kubikzentimeter heruntergegangen
ist. Während der Reduktion vermindert sich die biologische Wirksamkeit der Lösung
um etwa io%. Der Blutdruck einer Katze wird durch dieses Produkt um etwa 5 mm Quecksilber
herabgesetzt, während "eine andere Probe desselben Streptolnycinhydrochlorids nach
katalytischer Hydrierung zu Dihydrostreptomycin einen Blutdruckabfall von. 17 mm
Quecksilber bewirkt. Das Streptomycinhydrochlorid verursacht vor der Reduktion eine
Blutdrucksenkung von 32 mm Quecksilber. Beispiel 6 In einer geteilten Zelle mit
einer reinen Bleianode und legierter Bleikathode, einem Anolyten, bestehend aus
5%iger Schwefelsäure, und einem Katholyten, bestehend aus 710,-, Streptomycinsulfat
in 21/21 Wasser, wird an die Anode eine Spannung von 13 bis i4 Volt angelegt, wodurch
ein Strom von etwa i80 bis 2.4o Ampere durch die Zelle geht. Dem Katholyten wird
etwa z g wasserhaltiges Zinksulfat zugesetzt, um den Strorndurchganb zu erleichtern.
Der pH-Wert wird unterwiederholtem Zusatz geeigneter Mengen verdünnter Schwefelsäure
während der Elektrolyse zwischen 5 und 8 gehalten, während die Temperatur zwischen
18 und 21° bleibt. Nach 8 Stunden ist die Reduktion des Strepto.mycins praktisch
vollendet und das aus dein Katholyten gewonneiieDihydrostreptomycin
hat
eine Wirksamkeit von 674 y je Milligramm.
-
Beispiel 7 Das im Beispie16 beschriebene Verfahren wird wiederholt,
jedoch wird diesmal 8 Stunden ein Strom von 157 bis 23o Ampere verwendet bei einer
Temperatur von 2o bis 23° und bei einem pH von 6,75 bis 7,65. Das erhaltene Dihydrostreptomycin
hat eine Wirksamkeit von 641 y je Milligramm.