ES2220128T3 - Procedimiento industrial para la produccion de l-carnitina. - Google Patents
Procedimiento industrial para la produccion de l-carnitina.Info
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Abstract
Procedimiento para la síntesis de L-carnitina, que comprende las siguientes etapas: (a) reducción enantioselectiva de un 4-cloro-3-oxobutirato de alquilo o 4-cloro-3-oxobutiramida según el siguiente esquema: en las que: Y= OR1, NH-R1, N(R1R2) R1, R2, iguales o diferentes= alquil, (alquilo C1- C10)arilo, y en las que el catalizador de la reacción de reducción consiste en un complejo de rutenio correspondiente a una de las dos fórmulas (III) o (IV) en las que: A= S, O, NR3, N-arilo, N-CO-R3 R3= alquilo C1-C10, alquilarilo, arilo Q= alquilo C1-C4, fenilo R, R¿, iguales o diferentes= fenilo opcionalmente sustituido con alquilo, alquilo C1-C6, cicloalquilo C3- C8, o R y R¿ juntos forman un sistema fosforocíclico de 4-6 átomos. X y L, iguales o diferentes, tienen los siguientes significados: X= halógeno, alquilsulfonato, arilsulfonato L= halógeno, arilo, arilo, sistema de olefina, carboxilato; en el que la concentración del sustrato en la mezcla de reacción varía de 5 a 15 g por cada 100 ml de disolvente; b) reacción de derivados de la fórmula (II) obtenidos en (a) con trimetilamina, con la formación de L- carnitina.
Description
Procedimiento industrial para la producción de
L-carnitina.
La invención descrita en este documento se
refiere a la síntesis de L-carnitina.
El objeto de la invención es un procedimiento
para obtener dicho producto, que puede ser fácilmente realizado a
escala industrial.
La carnitina tiene un centro de asimetría y, por
lo ello puede presentarse en forma de dos enantiómeros, designados
respectivamente R-(-)-carnitina y
S-(+)-carnitina. Entre ellas, solo la
R-(-)-carnitina está presente en organismos vivos,
en los que actúa como un transporte para el tránsito de los ácidos
grasos a través de las membranas mitocondriales.
Así, es esencial que solo se administre
R-(-)-carnitina a los pacientes que se sometan
regularmente a tratamiento de hemodiálisis o sean tratados de
alteraciones cardíacas o en el metabolismo de los lípidos.
A la vista del sustancial interés farmacéutico y
biológico en esta molécula, se han llevado a cabo gran cantidad de
estudios para realizar su síntesis.
Las técnicas conocidas para la síntesis a gran
escala de L-carnitina incluyen:
i) Resolución óptica de una mezcla racémica: esta
técnica incluye el uso de un agente de resolución en una cantidad
equimolar y la separación del enantiómero no deseado. Este
procedimiento conlleva la pérdida del 50% del producto inicial.
ii) Hidratación estereoespecífica de
crotonobetaína o \gamma-butirobetaína por medios
microbiológicos (documento US 4708936). Este procedimiento de
síntesis microbiológica tiene implícito el riesgo de ser
imperfectamente reproducible, posibles alteraciones de la cepa
utilizada, y la posible contaminación biológica del producto.
iii) Reducción enantioselectiva de un
4-cloro-3-oxoéster
butírico por medio de una catálisis con rutenio mono- o bimetálico.
De esta reacción se obtiene el correspondiente
3-hidroxi derivado que, por reacción con
trimetilamina e hidrólisis del grupo éster, es convertido en
L-carnitina.
La reacción de reducción citada en iii) a sido
sujeta a diversos estudios.
Por ejemplo, el documento
EP-B-295109 describe la reducción de
4-cloro-3-oxibutirato
con un catalizador que contiene rutenio ligado a una difosfina
quiral que a su vez está unida a un sistema bisnaftalénico; la
valencia del metal se completa con una combinación de halógenos y
trimetilamina. La reacción se lleva a cabo a 30ºC con una presión
de hidrógeno entre 4 y 10 MPa, con una relación molar
sustrato:catalizador de 1000:1, en un tiempo de reacción entre 16 y
20 horas. El rendimiento óptico inferior al 67% y el largo tiempo y
la alta presión de reacción necesarias hacen de este un proceso
industrialmente inaceptable.
En la solicitud de patente
EP-A-339764, se obtiene
L-carnitina por medio de un proceso que comprende
la reacción de
4-halo-3-oxibutirato
con el catalizador basado en rutenio mencionado anteriormente: la
reacción se lleva a cabo a 100ºC aproximadamente, a una presión
media de 7 a 10 MPa, con una relación molar sustrato:catalizador
que varía entre 1000 y 10.000:1. El proceso descrito presenta
asimismo la desventaja de tener que realizarse a valores de presión
altos. Adicionalmente, el rendimiento total de carnitina con este
procedimiento fue modesto (46%). Valores similares han sido
comunicados en Tetrahedron letters, 29, 1555, (1988).
Los procedimientos de síntesis descritos
anteriormente no solo presentan rendimientos modestos y, en el
primer caso, también tiempos de reacción prolongados, sino también
implican funcionar a presiones de hidrógeno elevadas, lo que
aumenta el coste del procedimiento y las precauciones de seguridad
que se deben adoptar. Este problema se convierte en clave cuando se
pasa de producir a escala de laboratorio a la producción a escala
industrial.
En una serie de estudios se describe la reducción
de \beta-cetoésteres mediante catalizadores de
complejos de rutenio en condiciones de valores de presión
moderados; sin embargo, los resultados son poco satisfactorios en
términos de rendimiento y/o tiempos de reacción, por lo que estos
procedimientos no pueden aplicarse a escala industrial. En
Tetrahedron Letters, 32, 4163 (1991) se describe la reducción de
4-cloro-3-oxobutirato
a presión de 4 atmósferas. El producto reducido tiene una pureza
enantiomérica inferior a la obtenida cuando se funciona en
condiciones de presión elevada, y los tiempos de reacción son
bastante largos (6 horas). La menor pureza enantiomérica conduce a
una mayor pérdida del rendimiento en L-carnitina.
En el documento EP-A-573184, la
reducción de un éster terbutílico del mismo sustrato se lleva a cabo
a una presión de 10-15 kg/cm^{2}: la reacción se
completa en dos horas con un rendimiento y una pureza enantiomérica
poco satisfactorios.
El análisis de la técnica mencionada antes revela
la ausencia de un procedimiento para la síntesis de
L-carnitina, que se puede reproducir fácil y
eficazmente a escala industrial. En particular, de lo que se carece
es de un procedimiento para la síntesis de
L-carnitina que comprenda la reducción catalítica
enantioselectiva de derivados
4-halo-3-oxobutírico
de una naturaleza tal que se pueda llevar a cabo a escala
industrial con rendimientos y pureza enantiomérica elevados y en
condiciones de presión moderada.
La presente invención describe un procedimiento
para la producción industrial de L-carnitina, que
comprende la reducción enantioselectiva de un
4-cloro-3-oxobutirato
de alquilo o de una
4-cloro-3-oxobutiramida.
El derivado 3-hidroxi ópticamente activo obtenido
de este modo se hace reaccionar con trimetilamina, con lo que se
obtiene L-carnitina bruta que a continuación se
purifica finalmente. El catalizador usado para la reducción es un
complejo de rutenio unido a un sistema
pentaatómico-bis-heteroaromático. La
reacción de reducción, realizada en condiciones controladas de
presión de hidrógeno, concentración de sustrato, temperatura y
relación molar sustrato:catalizador, permite obtener un rendimiento
elevado de
4-cloro-3-hidroxibutirato
o de 4-cloro-hidroxibutiramida. El
procedimiento descrito, que conduce a la obtención de
L-carnitina, se puede aplicar con facilidad a escala
industrial.
El objeto de la invención descrito en la presente
memoria descriptiva es un procedimiento para la síntesis de
L-carnitina. La primera etapa en la consecución del
objeto de la invención consiste en la reducción catalítica
enantioselectiva de un
4-cloro-3-oxobutirato
de alquilo o de una
4-cloro-3-oxobutiramida,
según el siguiente esquema:
en la
que:
Y= OR_{1}, NH-R_{1},
N(R_{1}R_{2})
R_{1}, R_{2}, igual o diferente = alquilo,
(alquil C_{1}-C_{10})arilo y la reacción
de derivados de fórmula (II) con trietilamina, con formación de
L-carnitina.
El sustrato de partida preferido es
4-cloro-3-oxobutirato
de etilo
(\gamma-cloro-acetoacetato de
etilo).
El catalizador de la reacción de reducción
consiste en un complejo de rutenio unido a un sistema pentaatómico
bis-heteroaromático. Esta estructura corresponde a
una de las dos fórmulas (III) o (IV).
en la
que:
A= S, O, NR_{3}, N-arilo,
N-CO-R_{3}
R_{3}= alquilo
C_{1}-C_{10}, alquilarilo, arilo
Q= alquilo C_{1}-C_{4},
fenilo
R, R', igual o diferente= fenilo opcionalmente
sustituido en alquilo, alquilo C_{1}-C_{6},
cicloalquilo C_{3}-C_{8} o R y R' juntos forman
un sistema fosforocíclico de 4-6 átomos.
X y L, iguales o diferentes, tienen los
siguientes significados:
X= halógeno, alquilsulfonato, arilsulfonato
L= halógeno, arilo, \pi arilo, sistema olefina,
sistema \eta^{3} alilo, tales como, por ejemplo, el sistema
2-metilalilo, grupo carboxilato, tal como, por
ejemplo, acetato o trifluoroacetato.
Con el grupo \pi arilo se quiere decir un tipo
de coordinación directa con el sistema aromático de electrones, sin
ninguna unión directa de un átomo de carbono del anillo con el
metal.
Los compuestos de fórmula (III) y (IV) se
describen en la solicitud de patente WO 96/01831, incorporado en la
presente memoria descriptiva como referencia.
En particular, se prefiere el uso de
catalizadores en los que A representa S (estructura
3,3'-bistiofénica), X representa halógeno, en
particular yodo, y L es un sistema arilo. El catalizador preferido
es {[Ru (p-cimeno) I (+) TMBTP] I}, representado
por la fórmula (V).
La reducción del
4-cloro-3-oxobutirato
de alquilo o de
4-cloro-3-oxobutiramida
se realiza a una presión de hidrógeno variable de 2 a 7 x 10^{5}
Pa, a una temperatura variable de 90 a 150ºC y con una relación
molar sustrato:catalizador variable de 5.000:1 a 30.000:1.
Según una realización preferida de la invención,
la reducción se lleva a cabo a una presión de hidrógeno de 5 x
10^{5} Pa, a una temperatura de 120ºC y con una relación molar
sustrato:catalizador de entre 10.000:1 y 15.000:1.
La concentración del sustrato en la mezcla de
reacción también contribuye a la obtención del producto reducido
con un rendimiento alto y con una pureza óptica de grado elevado.
Esta concentración varía de 5 a 15 g de sustrato por 100 ml de
disolvente, y la concentración preferida es de 10 g/100 ml.
La mezcla de reacción puede contener, de forma
ventajosa, cantidades catalíticas de una base.
Las condiciones de presión de hidrógeno moderada
(una media de 5 x 10^{5} Pa) posibilitan el funcionamiento con
reactores más sencillos y con condiciones de seguridad menos
estrictas en comparación con reacciones similares descritas en la
técnica conocida que requieren una presión de 100 atmósferas.
Se ha probado que el procedimiento descrito en la
presente memoria descriptiva se puede reproducir con facilidad a
escala industrial y no requiere el uso de ningún medio adicional,
tal como, por ejemplo, el uso de cocatalizadores ácidos.
El procedimiento según la invención proporciona
4-cloro-3-hidroxibutirato
de alquilo o
4-cloro-3-hidroxibutiramida
ópticamente activos con un rendimiento \geq95% y con una e.e.
variable del 95% al 97%. Como resultado de la transformación
descrita más adelante, estos resultados hacen posible obtener el
producto final L-carnitina con un rendimiento global
de 65-70%.
Además, las proporciones sustrato:catalizador
elevadas posibilitan el funcionamiento con cantidades bajas de
catalizador, contribuyendo por tanto al ahorro de costes en el
procedimiento de reacción.
El
4-cloro-3-hidroxibutirato
de alquilo o
4-cloro-3-hidroxibutiramida
obtenido mediante reacción catalizadora se convierten
posteriormente en la reacción de L-carnitina de
derivados de fórmula (II) mediante reacción con trietilamina.
Los derivados reducidos se hacen reaccionar con
trietilamina, con la formación del éster de alquil
L-carnitina o alquilamida. Esta reacción se lleva a
cabo, preferiblemente, a temperaturas de 55 a 90ºC durante periodos
de tiempo variables de 1 a 70 horas. Se obtienen resultado
particularmente satisfactorios cuando se actúa a 65ºC durante 60
horas o a 80ºC durante 24 horas. Según el tipo de reactor usado,
las condiciones de agitación y de carga, a 80ºC se han observado
tiempos de reacción de incluso 1-2.
La reacción supone la sustitución del grupo
4-cloro con el grupo 4-trietilamina
y la hidrólisis del grupo amida o éster, con la formación de
L-carnitina bruta, que después se purifica para
convertirla en adecuada para uso farmacéutico.
La purificación se puede realizar con
procedimientos conocidos tales como, por ejemplo, cromatografía,
extracción con disolventes, ultrafiltración y otros procedimientos
equivalentes.
Gracias a las ventajas identificadas antes, tales
como presión baja, rendimientos altos y pureza óptica de grado
elevado, y el uso de cantidades limitadas de catalizador, la
invención descrita en la presente memoria descriptiva hace posible
producir L-carnitina de forma eficaz y
económicamente en una planta industrial a gran escala.
La invención se describe con los siguientes
ejemplos.
Dos gramos de [Ru CI_{2}
p-cimeno]_{2} y 50 ml de cloruro de
metileno se colocan en nitrógeno en un frasco; 66 mg de yoduro de
tetrametilamonio y posteriormente a la solución se añade una
solución acuosa (50 ml) con 10,2 mg de KI.
La mezcla se deja en agitación enérgica y en una
atmósfera inerte durante aproximadamente 15 horas a temperatura
ambiente. Se separan las fases. La fase acuosa se extrae con 2 x40
ml de CH_{2}Cl_{2}. Las fases orgánicas reunidas se lavan con 3
x 40 ml de H2=, se secan en Na2SO4 y se filtran en dicalita. Se
obtiene una solución marrón rojiza, que se seca al vacío. Se
obtienen 3.07 g de [Ru I_{2}
p-cimeno]_{2}.
En un frasco se introducen 155 mg de [Ru I_{2}
p-cimeno]_{2} y 204 mg de (+) TMBTP en
atmósfera de nitrógeno y se añade la mezcla de 80 ml de
CH_{2}Cl_{2} y 30 ml de MeOH desgasificado. La mezcla se deja a
reflujo en agitación durante 1,5 horas; después se enfría y se
concentra a presión reducida. El sólido de color rojo oscuro
compuesto por {[Ru (p-cimeno) I (+) TMBTP] I}se usa
como tal en los procedimientos de hidrogenación
enantioselectiva.
En un reactor de 3 litros en argón se introducen
100 g de
4-cloro-3-oxobutirato
de etilo y 64,9 mg de {[Ru (p-cimeno) I (+) TMBTP]
I}, preparado en el ejemplo 1, en 1000 ml de alcohol etílico
desgasificado con argón; la mezcla se calienta a 120ºC en atmósfera
de argón y se presuriza con hidrógeno a 5 x 10^{5} Pa. Después de
3 horas, la mezcla se enfría, se concentra a presión reducida y el
residuo se destila con 5 mm de Hg al vacío. Se obtienen 91 g de (+)
(R)-4-cloro-3-hidroxibutirato
de etilo con una e.e. de 97% mediante análisis de cromatografía de
gases.
En un vial de 50 ml de introducen 8,4 g (0,05
moles) de (+)
(R)-4-cloro-3-hidroxibutirato
de etilo y 23 ml (0,18 moles) de trietilamina al 45% en H_{2}O.
El vial se cierra con una tapa de goma, se sella con una tapa de
rosca y se mantiene a 80ºC durante 24 horas. Al final de la
reacción, el vial se enfría y se abre. La solución acuosa se
transfiere a un frasco, se añaden 20 ml de cloruro de metileno y la
solución resultante se deja durante toda la noche en agitación.
Después se recupera la fase acuosa y se eluye en una columna de
cromatografía que contiene 200 ml de resina Amberlite IRA 402
activada eb la forma deHCO_{3}^{-}.
Tras la elución de los primeros 30 ml, se eluye
la carnitina. Las fracciones que contienen la
L-carnitina (TLC control CHCl_{3} 42, IsoprOH 7,
MetOH 28, H_{2}O 10,5, AcOH 10,5), aproximadamente 100<150 ml,
se unen y se concentran al vacío. Se usa alcohol isobutílico para
formar el azéotropo con agua y eliminar completamente l agua.
El sólido higroscópico obtenido de este modo se
tritura con acetona y se guarda durante la noche en agitación con
acetona. Se lleva a cabo la filtración y se obtienen
L-carnitina con un rendimiento final de 70%.
Ejemplos
4-7
Se repitió el procedimiento de hidrogenación
descrito en el ejemplo 2, cambiando las proporciones S.C (tabla 1) o
funcionando con cantidades catalíticas de base (tabla 2).
Los resultados obtenidos son los siguientes:
Leyendas:
S:C: relación molar sustrato:catalizador
% conv/t: porcentaje sustrato reducido/tiempo
conc.: concentración de sustrato en la mezcla de
reacción
e.e: pureza óptica del producto reducido
Los resultados de la Tabla 1 muestran que, cuando
se usan los catalizadores descritos en la presente invención, y en
las condiciones de reacción indicadas, es posible obtener
4-cloro-3-hidroxibutirato
de etilo con un rendimiento elevado y con un grado alto de pureza
óptica enantiomérica.
En un reactor de 200 litros se introducen, en
argón, 14 kg de
4-cloro-3-oxobutirato
de etilo (título 88%) y 6,2 g de {[Ru (p-cimeno) I
(+) TMBTP] I}, en 143 l de alcohol etílico. La mezcla se calienta a
116ºC y se presuriza con hidrógeno a 5-6 x 10^{5}
Pa. La temperatura se eleva hasta 124ºC y la reacción se completa
en aproximadamente 1 hora. La mezcla se enfría, se concentra a
presión reducida y el residuo, analizado con cromatografía de gases,
tiene un título de 81% de (+)
(R)-4-cloro-3-hidroxibutirato
de etilo, con una e.e.de 96,7%. Rendimiento de la reacción:
94%.
En un reactor de 2 litros se introducen 400 g de
(+)(R)-4-cloro-3-hidroxibutirato
de etilo bruto, preparado según el Ejemplo 8, y 1 l de
trimetilamina al 45% en H_{2}O. La mezcla de reacción se calienta
hasta 80ºC y se guarda a esta temperatura durante 15 horas. Después
de enfriar y eliminar el exceso de trimetilamina en flujo de
nitrógeno, la solución acuosa se extrae con 1,9 l de cloruro de
metileno y se analiza con HPLC. Se obtiene
L-carnitina con un rendimiento de 75%.
En un reactor de 0,6 l de introducen 110 g de
(+)(R)-4-cloro-3-hidroxibutirato
de etilo, preparado según el Ejemplo 2, y 280 ml de trimetilamina
al 45% en H_{2}O. La mezcla de reacción se calienta hasta 80ºC y
se guarda a esta temperatura durante 2 horas. Después de enfriar y
eliminar el exceso de trimetilamina, la solución acuosa se extrae
con 0,5 l de cloruro de metileno y se analiza mediante HPLC. Se
obtiene L-carnitina con un rendimiento de 71%.
Claims (8)
1. Procedimiento para la síntesis de
L-carnitina, que comprende las siguientes
etapas:
(a) reducción enantioselectiva de un
4-cloro-3-oxobutirato
de alquilo o
4-cloro-3-oxobutiramida
según el siguiente esquema:
en las
que:
Y= OR_{1}, NH-R_{1},
N(R_{1}R_{2})
R_{1}, R_{2}, iguales o diferentes= alquil,
(alquilo C_{1}-C_{10})arilo,
y en las que el catalizador de la reacción de
reducción consiste en un complejo de rutenio correspondiente a una
de las dos fórmulas (III) o (IV)
en las
que:
A= S, O, NR_{3}, N-arilo,
N-CO-R_{3}
R_{3}= alquilo
C_{1}-C_{10}, alquilarilo, arilo
Q= alquilo C_{1}-C_{4},
fenilo
R, R', iguales o diferentes= fenilo opcionalmente
sustituido con alquilo, alquilo C_{1}-C_{6},
cicloalquilo C_{3}-C_{8}, o R y R' juntos forman
un sistema fosforocíclico de 4-6 átomos.
X y L, iguales o diferentes, tienen los
siguientes significados:
X= halógeno, alquilsulfonato, arilsulfonato
L= halógeno, arilo, \pi arilo, sistema de
olefina, carboxilato; en el que la concentración del sustrato en la
mezcla de reacción varía de 5 a 15 g por cada 100 ml de
disolvente;
b) reacción de derivados de la fórmula (II)
obtenidos en (a) con trimetilamina, con la formación de
L-carnitina.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la reducción (a) se lleva a cabo a una presión de hidrógeno que
varía de 2 a 7 x 10^{5} Pa; a una temperatura que varía de 90 a
150ºC; una relación molar sustrato:catalizador que varía de 5.000:1
a 30.000:1.
3. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la reducción (a) se lleva a cabo a una presión de hidrógeno de
5 x 10^{5} Pa; una temperatura de 120ºC; una relación molar
sustrato:catalizador de 10.000:1-20.000:1;
concentración de sustrato en la mezcla de reacción de 10 g/100
ml.
4. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la mezcla de reacción en la etapa (a) contiene cantidades
catalíticas de una base.
5. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la reacción (b) se lleva a cabo a una temperatura de 65ºC
durante 60 horas.
6. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la reacción (b) se lleva a cabo a una temperatura de 80ºC
durante 1 a 24 horas.
7. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que la L-carnitina obtenida en (b) se somete
después a purificación.
8. Procedimiento según la reivindicación 1, en el
que el catalizador es {[Ru (p-cimeno) I (+) TMBTP]
I}, representado por la siguiente fórmula:
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