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Verfahren zur Herstellung von optisch aktiven threo-fl, p-Nitrophenylserin
-Verbindungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von threo-ß,
p-Nitrophenylserin-Verbindungen von der allgemeinen Formel
in welcher R Wasserstoff, einen Alkyl- oder Aralkylrest bedeutet. Diese Verbindungen
sind wertvolle Zwischenprodukte für die Gewinnung von Substanzen mit antibiotischer
Wirkung.
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Es ist bereits bekannt, Glykokollester oder deren Salze mit der doppelten
molaren Menge p-Nitrobenzaldehyd zu threo-ß, p-Nitrophenylserin-Verbindungen umzusetzen,
wobei man in Gegenwart von Natrium gearbeitet hat.
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Erfindungsgemäß wird nun diese Umsetzung in Gegenwart eines stark
basischen sekundären Amins vorgenommen, wodnrch ein außerordentlich hoher Umsatz
von 91% der Theorie und mehr erzielt wird und außerdem im Gegensatz zum bekannten
Verfahren
praktisch nur Verbindungen der erythro-Reihe gebildet
werden, während beim bekannten Verfahren bei geringerer Ausbeute merkliche Mengen
von Verbindungen der threo-Reihe erhalten werden.
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Das bei der Umsetzung zunächst erhaltene DL- erythro - 2- p - Nitrophenyl-4-carbalkoxy-5-p-nitro
phenyloxazolidin wird mit einem wasserfreien sauren Mittel, vorzugsweise Eisessig
oder alkoholischer Salzsäure, behandelt, wobei der DL-erythro4-p-Nitrophenylserinester
entsteht. Dieser wird zum DL-threoß-p-Nitrophenylserinester bzw. der freien Aminosäure
umgelagert und mit Hilfe eines optisch aktiven Salzbildners in die optisch aktiven
threo-ß-p-Nitrophenylserinester bzw. die freien Aminosäuren gespalten.
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Die Umlagerung der erythro-Verbindung in die threo-Form kann wie
folgt bewirkt werden: I. Das Salz des DL-erythro-ß, p-Nitrophenylserinesters wird
mit einem Acylimidoäther, vorzugsweise mit Acetimidoäther, zum DL-erythro-2-Methyl-4-carbalkoxy-5-p-nitrophenyloxazolin
umgesetzt, dasselbe mit Alkali zur Oxazolincarbonsäure verseift und der Ring zwischen
c2 und N mit Mineralsäure geöffnet; hierauf wird durch Zusatz von Alkali eine Acylwanderung
bewirkt und durch Zugabe einer Säure das DL-threo-N-Acyl-ß, p-nitrophenylseiin abgeschieden.
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Diese Verbindung kann, wenn erwünscht, gleichzeitig durch Erwärmen
mit alkoholischer Salzsäure zum DL-threo-ß, p-Nitrophenylserinester entacyliert
und verestert werden.
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2. Das Salz des DL-erythro-ß, p-Nitrophenylserinesters wird mittels
Acetanhydrid und Natriumacetat in den DL-erythro-NAcetyi-,8, p-nitrophenylserinester
übergeführt, dieser bei gewöhnlicher Temperatur mit Thionylchlorid behandelt und
das Reaktionsgemisch nach Zugabe von Wasser durch Erwärmen zum DL-threo-fl, p-Nitrophenylserin
hydrolisiert. Aus dem letzteren kann mittels alkoholischer Salzsäure der DL-threo-ß,
p-Nitrophenylserinäthylester gewonnen werden.
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Die Trennung in die optischen Antipoden kann, ausgehend von einem
Ester des DL-threo-fl, p-Nitrophenylserins, durch Salzbildung an der Aminogruppe
mit einer optisch aktiven Säure, z. B. Bromcamphersulfosäure, oder, ausgehend vom
N-acylierten DL-threoß, p-Nitrophenylserin, durch Salzbildung an der Carboxylgruppe
mit einer optisch aktiven Base, z. B. einem Alkaloid, und anschließender fraktionierter
Kristallisation und Hydrolyse der gebildeten diastereomeren Salze erfolgen.
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Zur Spaltung des DL-threo-N-Acyl-ß, p-nitrophenylserins mit einer
optisch aktiven Base in die optisch aktiven Antipoden verwendet man am besten Lösungen
dieses Acylderivates und der Base in einem Lösungsmittel, in welchem die Löslichkeitsdifferenz
der entstehenden optisch aktiven Salze möglichst groß ist, um durch einmalige Kristallisation
das zuerst auskristallisierende optisch aktive SalzI möglichst vollständig und optisch
rein zu gewinnen. Ausgehend von DL-threo-N-Acetyl-ß, p-nitrophenylserin verwendet
man als Base mit Vorteil Brucin und als Lösungsmittel Methanol, wobei das Brucinsalz
von L(+)-threo-N-Acetyl-ß, p-nitrophenylserin in einer Fraktion mit einer Ausbeute
von etwa wo 01, erhalten werden kann.
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Das schwerer lösliche optisch aktive Salz I kann in der Weise in die
Komponenten zerlegt werden, daß man es in Wasser und Chloroform suspendiert, mit
konzentriertem Alkali auf p g stellt, gut durchschüttelt, wobei der threo-N-Acyl-ß,
p-nitrophenylserin-Antipode als Natriumsalz in die wäßrige Phase und das Brucin
in die Chloroformphase übergehen und somit bequem voneinander getrennt werden können.
Nach Ansäuern der wäßrigen Lösung kristallisiert der acylierte Antipode meistens
aus, andernfalls muß mit einem organischen Lösungsmittel extrahiert werden. Der
in Freiheit gesetzte acylierte Antipode kann nach einer an sich bekannten Methode,
z. B. mit wäßriger Mineralsäure, entacyliert werden, wobei die optisch aktive Aminosäure
dadurch isoliert wird, daß man die saure Hydrolyselösung unter vermindertem Druck
zur Trockne verdampft, in wenig Wasser aufnimmt, mit Alkohol verdünnt, mit einer
Base, z. B. NH3, Pyridin usw., neutralisiert und zur Kristallisation bringt. Aus
dem L(+)-threo-N-Acetyl.-ß, p-nitrophenylserin entsteht dabei das L(-)-threo-ß,
p-Nitrophenylserin.
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Das nach Ausscheiden des schwerer löslichen optisch aktiven Salzes
I noch in Lösung verbliebene optisch aktive Salz II wird zweckmäßig durch Kristallisation
aus einem geeigneten Lösungsmittel, d. h. aus einem solchen, in dem das optisch
aktive Salz II schwerer löslich ist als das optisch aktive Salz I, gereinigt. Dies
kann im Falle des in Methanol leichtlöslichen Brucinsalzes von D(-)-threo-N-Acetyl-,
p-nitrophenylserin durch einmalige Kristallisation aus Wasser geschehen.
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Das Zerlegen des optisch aktiven Salzes II sowie die Entacylierung
derAminosäurekomponente kann analog der für das optisch aktive Salz I beschriebenen
Methode bewerkstelligt werden.
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Beispiel I 150 Gewichtsteile p-Nitrobenzaldehyd werden in I500 Raumteilen
Alkohol warm gelöst, dann auf 38 abgekühlt und nacheinander unter gutem Rühren mit
63,6 Gewichtsteilen Glykokolläthylesterhydrochlorid und 37,5 Gewichtsteilen Diäthylamin
versetzt, wobei eine klare, anfänglich gefärbte Lösung entsteht. Mittels regulierbarer
Kühlung wird die Reaktionstemperatur zwischen etwa 38 und 40° gehalten. Nach einigen
Minuten beginnt eine Kristallabscheidung, und der Kolbeninhalt erstarrt fast vollständig.
Man rührt noch 2 Stunden weiter, wobei der Kolbeninhalt wieder etwas flüssiger wird.
Nach Stehen über Nacht im Kühlschrank wird abgesaugt und der Filterrückstand mit
100 Raumteilen Äther gewaschen, wobei ein farbloses Kondensationsprodukt vom Schmelzpunkt
I46 bis 1480 erhalten wird. Ausbeute I63 Gewichtsteile.
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200 Gewichtsteile dieses Kondensationsproduktes werden in 1200 Raumteilen
absolutem Alkohol zum Sieden erhitzt. Nun gibt man in einer Portion 200 Raumteile
3001,ige alkoholische Salzsäure hinzu, worauf zunächst Lösung eintritt. Nach kurzer
Zeit beginnt die Abscheidung von DL-erythro-ß, p-Nitrophenylserinäthylesterhydrochlorid.
Man erwärmt 2 Stunden lang am Rückflußkühler und dampft anschließend den Alkohol
im Vakuum fast vollständig ab. Nachdem der Kolbeninhalt abgekühlt ist, gibt man
2000 Raumteile
gewöhnlichen Äther hinzu, läßt während 2 Stunden
unter Eiskühlung stehen, saugt ab und wäscht den Filterrückstand mit etwa 500 Raumteilen
Äther aus.
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Das DL-erythro-ß, p-Nitrophenylserinäthylesterhydrochlorid ist farblos
und schmilzt bei 173 bis 1750.
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100 Gewichtsteile DL-erythro-ß, p-Nitrophenylserinäthylesterhydrochlorid
werden in einer Mischung von 500 Raumteilen Wasser und I000 Raumteilen Alkohol auf
dem Dampfbad bis zur vollständigen Lösung erwärmt und dann auf 200 abgekühlt. Inzwischen
bereitet man eine eiskalte Lösung von Acetimidoäthyläther vor, indem man 20 Gewichtsteile
Natriumhydroxyd in 40 Raumteilen Wasser löst, kühlt, 80 Gewichtsteile Eis zugibt,
mit 63,6 Gewichtsteilen Acetimidoäthylätherhydrochlorid versetzt und die Mischung
bis zur molaren Lösung umschüttelt. Diese Lösung wird, sobald der obige Kolbeninhalt
die Temperatur von 200 erreicht hat, unter gutem Rühren in einer Portion dazugegeben.
Nach ungefähr 15 Minuten beginnt die Abscheidung des DL-erythro-2-Methyl-4-carbäthoxy-5-p-nitrophenyloxazolins
aus der klaren Lösung. Nach insgesamt 21/2 Stunden wird das rohe Oxazolin vom Schmelzpunkt
129 bis I300 durch Absaugen abgetrennt. Die Mutterlauge wird zur Entfernung des
Alkohols im Vakuum bei einer Temperatur von maximal 30° eingeengt, wobei noch weitere
Mengen des Oxazolins abgeschieden werden.
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Die beiden Fraktionen werden vereinigt und ohne weitere Reinigung
für die nächste Stufe verwendet.
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Man vermischt das erhaltene Oxazolin mit 250 Raumteilen Alkohol und
erwärmt fast bis zum Sieden des Alkohols. Darauf gibt man eine Lösung von 15,7 Gewichtsteilen
Natriumhydroxyd in I50 Raumteilen Wasser hinzu, wobei vollständige Lösung eintritt.
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Nun unterbricht man das Heizen und läßt die Mischung unter zeitweiligem
Umschütteln Il/2 Stunden stehen.
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Darauf wird der Alkohol im Vakuum bei 40 bis 50° abgetrieben, bis
das Natriumsalz der Oxazolincarbonsäure ausfällt. Der Kolbenrückstand wird in 400
Raumteilen Wasser gelöst, die Lösung, auf 15° gekühlt, mit konzentrierter Salzsäure
angesäuert, bis sie stark kongosauer reagiert, und rasch durch ein Kohlefilter filtriert.
Die schwachgelblich gefärbte klare Lösung wird unter Kühlung mit konzentrierter
Natronlauge bis pH 9 versetzt, darauf sofort mit konzentrierter Salzsäure angesäuert,
bis Tropäolinpapier gefärbt wird, worauf sich das DL-threo-N-Acetylß, p-nitrophenylserin
fast farblos in kristalliner Form abscheidet. Nach 2 Stunden Eiskühlung wird abgesaugt
und getrocknet. Schmelzpunkt I99 bis 2010.
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Ausbeute 6I Gewichtsteile. Diese Säure kann nach Beispiel 2 in die
optischen Antipoden aufgetrennt werden. o,g Gewichtsteile DL-threo-N-Acetyl-ß, p
-nitrophenylserin werden in 20 Raumteilen 300/0iger alkoholischer Salzsäure und
20 Raumteilen absolutem Alkohol während I Stunde am Rückfluß erhitzt.
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Darauf dampft man im Vakuum vollständig ein, löst den Rückstand in
wenig Wasser und bringt den DL-threo-ß, p-Nitrophenylserinäthylester durch Zusatz
von Ammoniak zur Abscheidung. Aus Alkohol-Petroläther umgelöst, schmilzt er bei
I37 bis 1390. Ausbeute 0,7 Gewichtsteile.
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3,05 Gewichtsteile DL-threo-p, p-Nitrophenylserinäthylester werden
in 30 Raumteilen Wasser und I Äquivalent Salzsäure gelöst und mit einer Lösung von
2 Gewichtsteilen bromcamphersulfosaurem Ammonium (1/2 Mol) in 5 Raumteilen Wasser
versetzt.
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Nach ungefähr 2 Stunden beginnt die Kristallabscheidung, nach weiteren
5 Stunden wird das Kristallisat abgesaugt, zuerst in Methanol gelöst und mit Äther
gefällt, das aus Alkohol umgelöst.
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Das so erhaltene bromcamphersulfosaure Salz des L-threo-fl, p-Nitrophenylserinäthylesters
schmilzt bei 181 bis 184° und hat eine spezifische Drehung von [aj Do = + 49,20
(c = I in Methanol). Zur Zerlegung löst man das Salz unter schwachem Erwärmen in
5 Raumteilen 3 n-Salzsäure, dann kühlt man ab und läßt den L-threo-ß, p-Nitrophenylserinäthylester
mit Hilfe von Ammoniak abscheiden. Aus Alkohol umgelöst, schmilzt er bei 137 bis
1390. [a] D22 = + I5° (c = 1,5 in Methanol). Ausbeute I Gewichtsteil.
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Beispiel z 26,8 Gewichtsteile DL-threo-N-Acetyl-ß, p-nitrophenylserin
und 39,5 Gewichtsteile wasserfreies Brucin werden in je 470 Raumteilen Methanol
auf dem Dampfbad gelöst und noch heiß zusammengeschüttet.
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Nach 24stündigem Stehenlassen bei Zimmertemperatur werden die Kristalle
des Brucinsalzes von L(+)-threo-N-Acetyl-ß, p-nitrophenylserin abgesaugt und getrocknet.
Ausbeute etwa 30 Gewichtsteile (go°lO der Theorie). [a] D8 = 0° i 1° (c = I in Wasser).
Zersetzungspunkt etwa 215 bis 220° unter starker Braunfärbung.
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20 Gewichtsteile dieses Brucinsalzes werden in einem Scheidetrichter
in 20 Raumteilen Wasser und 30 Raumteilen Chloroform suspendiert und nach Zugabe
von konzentriertem Alkali, bis die wäßrige Phase ein pE von etwa g aufweist, gut
durchgeschüttelt.
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Dann wird die wäßrige Phase von der Chloroformphase, die das Brucin
enthält, abgetrennt und mit konzentrierter Salzsäure angesäuert, worauf das L(+)-N-Acetyl-ß,
p-nitrophenylserin nach kurzer Zeit kristallisiert. Rohausbeute 7,5 Gewichtsteile
(93 0/o der Theorie). Nach einmaligem Umkristallisieren aus Wasser schmilzt die
gewonnene L-Acetylaminosäure bei 175° unter Braunfärbung und Zersetzung.
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[a] ta = + 32O i 20 (c = I in Wasser).
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Zur Abspaltung der Acetylgruppe werden etwa 5 Gewichtsteile rohes
L(+)-threo-N-Acetyl-1ß, p-nitrophenylserin mit 50 Raumteilen 3 n-Salzsäure auf dem
Dampfbad 3/4 Stunden erhitzt. Darauf wird unter vermindertem Druck zur Trockne verdampft,
in möglichst wenig Wasser gelöst, mit der doppelten Raummenge Alkohol verdünnt und
mit konzentriertem Ammoniak auf pE 7 eingestellt. Nach kurzer Zeit kristallisiert
das freie L(-)-threo-'8, p-Nitrophenylserin aus. Nach einmaligem Umkristallisieren
aus Wasser werden farblose Nadeln erhalten mit einem Zersetzungspunkt von etwa 190°
unter starker Braunfärbung. [α]D18 = - 33,9° # 1° (c = 2,004 in 20,24%-iger
Salzsäure); [a] D18 = - 140 i 20 (c = 1,003 in Wasser).
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Das in der ursprünglichen methanolischen Mutterlauge verbleibende
leichtlösliche Brucinsalz von
D (-) -tbreo-N-Acetyl-fl, p-nitrophenylserin,
welches noch etwa 10% des Brucinsalzes von L(+)-threo-N-Acetyl-ß, p-nitrophenylserin
enthält, wird durch Eindampfen unter vermindertem Druck isoliert und mit etwa 400
Raumteilen siedendem Wasser gelöst.
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Nach etwa 24 Stunden wird das reine Brucinsalz von D(-)-threo-N-Acetyl-B,
p-nitrophenylserin abgesaugt.
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Ausbeute etwa 30 Gewichtsteile (90% der Theorie).
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Orangegelbe Tafeln. Zersetzungspunkt etwa 120°.
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[a] oIB = 31,80 # 20 (c = 1,008 in Wasser).
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Das Zerlegen dieses Salzes in die Komponenten geschieht genau nach
der für das Brucinsalz von L(+)-threo-N-Acetyl-ß,p-nitrophenylserin beschriebenen
Methode. Das reine D(-)-threo-N-Acetylß,p-nitrophenylserin zersetzt sich bei etwa
175°.
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[a] 18 = - 320 + 20 (c = I,005 in Wasser).
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Zur Überführung in die freie Aminosäure verfährt man, wie für die
Entacylierung von L(+)-threo-N-Acetyl-fl, p-nitrophenylserin angegeben. Das aus
Wasser umkristallisierte D(+)-threo-ß, p-Nitrophenylserin wird ebenfalls in Form
von farblosen Nadeln erhalten, welche sich bei etwa I90° unter starker Braunfärbung
zersetzen. [α]D18 = + 33,8° # 1° (c = 2,008 in 20,24%iger Salzsäure); [α]D18
= +14° # 2° (C= I,OOS in Wasser).