KR19990013237A

KR19990013237A - Ｌ-카르니틴의 제조방법

Info

Publication number: KR19990013237A
Application number: KR1019970057813A
Authority: KR
Inventors: 변일석; 김경일; 봉찬아
Original assignee: 박영구; 삼성정밀화학 주식회사
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1997-11-03
Publication date: 1999-02-25
Also published as: DE69811083T2; EP1000014A1; CN1265092A; US6342034B1; JP2000516967A; CA2298664A1; ES2187033T3; KR100255039B1; DE69811083D1; EP1000014B1; JP3259230B2; WO1999005092A1

Abstract

본 발명은 다음 화학식 1로 표시되는 L-카르니틴의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤을 원료물질로하여 특정 반응조건하에서의 개환반응, 키랄센터가 역전화되는 에폭시화 반응, 그리고 트리메틸아민의 친핵성 치환반응을 수행하며, 각 반응은 수용액 상태에서 별도의 정제과정없이 하나의 반응기내에서 연속적으로 수행되므로 산업적인 대량생산에 특히 유용한 L-카르니틴의 제조방법에 관한 것이다.

Description

Ｌ-카르니틴의 제조방법

화학식 1

카르니틴(Carnitine)은 입체 구조적 특징에 의해 L-카르니틴과 D-카르니틴의 두가지 입체적 거울상 이성질체가 가능하지만 생체내에서는 D-카르니틴은 전혀 발견되지 않고 L-카르니틴만이 존재하고 있다고 알려져 있다.

비타민 B_T로 알려져 있는 L-카르니틴의 경우, 인간을 포함한 동물체의 생체조직내에 존재하면서 여러 핵심적인 역활을 하고 있으며 이러한 이유로 L-카르니틴의 생리학적인 역할에 대한 체계적인 연구들이 많이 이루어져 왔다. 특히, L-카르니틴은 생체내에 존재하면서 미토콘드리아막을 통과할 수 없는 긴 사슬을 가진 지방산과 반응하여 통과가 가능한 유도체로 변환시켜 지방산이 막을 통과해서 미토콘드리아내에서 산화반응을 통해 분해되어 에너지원으로 지방산이 이용될 수 있도록 도와주는 역활을 하고 있다.

한편 종래에 D,L-카르니틴 라세미체가 의약품이나 식품첨가제의 여러 용도로 사용된 바도 있으나, D-카르니틴은 생체내에서 L-카르니틴이 생리적인 역할을 하는데 있어 경쟁적인 방해작용을 하는 것으로 알려져 있다[Fritz, I.B., Schultz, S.K., J. Biol. Chem. (1965) 240 2188; Roe, C.R., Bohan, T.P., Lancet (1982) 1411.]. 최근에는 D,L-카르니틴 라세미체로 사용하기 보다는 광학적으로 순수한 L-카르니틴만을 선택적으로 사용하는 경향이 짙고, 이에 따라 광학적으로 순수한 L-카르니틴을 얻기 위한 활발한 연구가 이루어져 문헌이나 특허들에 많이 보고되고 있다.

광학적으로 순수한 L-카르니틴의 제조와 관련된 종래 기술을 살펴보면 다음과 같다.

첫째, 화학적 광학분할방법에서는 D,L-카르니틴이나 그 유도체의 라세미체를 광학적으로 순수한 키랄 광학분할제와 반응시켜 부분입체이성질체를 형성시킨 후, 적절한 용매에서의 용해도 차이를 이용하여 원하는 형태의 부분입체이성질체만을 분할해서 얻은 후, 이를 다시 가수분해하여 원하는 L-카르니틴만을 얻는 방법이다. 이때, 사용되는 광학분할제로는 D-캄파산[미국특허 제4,254,053호(1981)], L-주석 산[유럽특허 제157,315호(1985)], 디벤조일-D-주석산[미국특허 제4,933,490호(1990)], 디벤조일-L-주석산[미국특허 제4,610,828호(1986)], D-만델산[일본특허공개 소59-231,048호(1984)], N-아세틸-D-글루탄산[일본특허공개 평1-131,143호(1989)]등을 이용하고 있다. 그러나, 상기 화학적 광학분할방법에서는 값비싼 광학분할제를 사용하고 있고, 이를 회수하는 단계가 필수적이며, 또한 부분입체이성질체를 형성하여 광학분할을 시도하는 재결정 단계에서 주의깊게 재결정해야 하는 어려움 등이 있다.

둘째, 또 다른 방법으로 미생물이나 효소를 이용한 생물학적인 방법이 있다. 부티로베타인을 원료물질로 하고 여러 유용한 효소를 이용해서 입체 선택적으로 히드록시화 반응시켜 L-카르니틴을 제조하거나[미국특허 제4,371,618호(1983), 미국특허 제5,187,093호(1993)], 또는 크로토노베타인을 원료물질로 하고 적절한 효소를 이용해서 입체선택적으로 수화반응시켜서 L-카르니틴을 제조한다[미국특허 제4,650,759호(1987), 미국특허 제5,248,601호(1993), 유럽특허 제457,735호(1991)]. 그러나, 이러한 방법은 반응시간이 2 ~ 3일 정도로 장시간이 소요되고, 화학적 반응과는 달리 생물학적인 반응의 특성상 반응농도가 현저히 낮은 단점을 가지고 있다.

또다른 생물학적 방법으로서 (R)-3,4-에폭시부티르산과 트리메틸아민을 반응시켜 L-카르니틴을 제조하는 방법[Helvetica Chimica Acta, vol.70, 142~152(1987); 유럽특허 제237,983호(1987)]이 있다. 핵심 원료물질로 사용되는 (R)-3,4-에폭시부티르산은 화학적인 방법에 의해 라세믹 3,4-에폭시부티르산 에스테르를 제조한 후 생물학적인 방법으로 이를 광학분할하여 입체선택적으로 (R)-3,4-에폭시부티르산 에스테르를 얻고, 이를 다시 생물학적인 방법으로 가수분해하여 제조한다. 이 방법은 입체선택성은 우수하나, 생물학적 반응의 특성상 주의깊은 반응조절과 약 24시간의 장시간이 소요되는 단점이 있다.

셋째, 또다른 방법으로서 천연물로부터 쉽게 얻을 수 있는 키랄 원료를 출발물질로 해서 L-카르니틴을 제조하는 방법이 있다. 이러한 방법에서는 D-만니톨을 원료로 하여 여러 반응단계를 거쳐 L-카르니틴을 제조하고 있는데[유럽특허 제60,595호(1982)], 이 방법은 반응단계가 복잡하고 테트라아세틸 납과 같은 중금속을 사용해야 하는 문제가 있다. 그리고, D-(R)-주석산으로부터 L-카르니틴을 제조하는 방법이 알려져 있으나[Tetrahedron Letters, vol.31, 7323~7326 (1990)], 이 경우도 제조공정이 길고 매우 복잡한 문제가 있다.

한편, (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤으로부터 L-카르니틴을 제조하는 방법이 있는데[미국특허 제5,473,104호(1995)], 이 방법에서는 1.0 당량의 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤과 2.0 당량의 25% 트리메틸아민 수용액을 혼합한 후, 밀폐된 용기에서 상온에서 1시간동안 교반한 다음, 추가로 100℃에서 16시간 반응시켜 수율은 언급되어 있지 않으나 순수한 L-카르니틴을 얻었다. 이 방법에서의 추정경로로서는 고리의 개환반응, 키랄센터가 역전화되는 에폭시화 반응, 트리메틸아민에 의한 친핵성 치환반응이 순차적으로 진행될 것으로 기술하고 있다. 그러나, 이 특허에 제시된 실시예에 근거해서 재현성을 확인해 보았으나 L-카르니틴은 거의 얻을 수 없었다. 이를 더욱 정확히 파악하기 위하여 반응액을 핵자기공명분석법을 이용하여 분석하였지만 L-카르니틴은 거의 존재하지 않았다.

본 발명에서는 상기 L-카르니틴 제조방법상의 문제를 해결하고자 연구노력한 결과, (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤을 원료물질로하여 이를 개환반응, 키랄센터가 역전화되는 에폭시화 반응, 그리고 트리메틸아민의 친핵성 치환반응을 수행하되, 각 반응조건을 특이적으로 설정하게되면 각 반응단계별 제조수율 및 순도가 높아 별도의 정제과정없이도 한 반응기내에서의 반응(one-pot reaction)이 가능하다는 사실을 알게됨으로써 본 발명을 완성하였다.

따라서, 본 발명은 수용액 상태에서 값싼 화합물을 사용하여 높은 제조수율로 고순도의 L-카르니틴을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤으로부터 L-카르니틴을 제조함에 있어서,

다음 화학식 2로 표시되는 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤을 수용매하에서 개환반응시켜 다음 화학식 3으로 표시되는 4-히드록시-3-활성화된 히드록시부티르산을 제조하고;

상기 화학식 3으로 표시되는 4-히드록시-3-활성화된 히드록시부티르산을 염기의 존재하에서 키랄센터의 역전화반응을 시켜 다음 화학식 4로 표시되는 3,4-에폭시부티르산을 제조한 다음;

상기 화학식 4로 표시되는 3,4-에폭시부티르산을 트리메틸아민과 친핵성 치환반응시켜 다음 화학식 1로 표시되는 L-카르니틴을 제조하는 것을 그 특징으로 한다.

화학식 1

상기 화학식들에서, R은 알킬 또는 아릴술포닐기, 아실기 또는 인산기이다.

이와같은 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 기존에 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤으로부터 L-카르니틴을 제조하는 방법에서 종래와는 달리 키랄 센터를 역전화시켜 고수율 및 고순도로 L-카르니틴을 제조하는 매우 경제적인 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 L-카르니틴의 제조방법을 간략히 나타내면 다음 반응식 1과 같다.

상기 반응식 1에서, R은 히드록시기를 활성화시키기 위해 도입된 것으로서 예를들면 알킬 또는 아릴술포닐기, 아실기 또는 인산기이다.

본 발명에서 출발물질로 사용되는 상기 화학식 2로 표시되는 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤은 (S)-3-히드록시부티로락톤의 히드록시기를 친핵성 치환반응을 시키기 위해서 활성화시킨 화합물이다.

히드록시기를 활성화시키는 방법은 화학적으로 여러 방법이 있는데, 일반적인 방법은 술포닐화반응, 아실화반응, 인산화반응 등이 있다. 이들 방법중 가장 대표적인 반응은 술포닐화반응이며, 술포닐화제로는 알킬술폰산의 무수물, 알킬술포닐 클로라이드 또는 아릴술포닐 클로라이드를 이용한다. 이때, 알킬술포닐은 탄소원자수 1 ~ 12의 알킬술포닐 또는 할로알킬술포닐으로서, 이를 구체적으로 예시하면 메탄술포닐, 에탄술포닐, 이소프로판술포닐, 클로로메탄술포닐, 트리플루오로메탄술포닐, 클로로에탄술포닐 등이다. 아릴술포닐은 벤젠술포닐; 톨루엔술포닐; 클로로벤젠술포닐 또는 브로모벤젠술포닐 등의 할로아릴술포닐; 나프탈렌술포닐; 메톡시벤젠술포닐 등의 탄소원자수 1 ~ 4의 알콕시아릴술포닐; 니트로아릴술포닐 등이다. 활성화반응을 통해 제조된 상기 화학식 2로 표시되는 화합물을 구체화하면, (S)-3-알킬술포닐히드록시부티로락톤, (S)-3-아릴술포닐히드록시부티로락톤 등이며, 특히 일반적으로 사용될 수 있는 화합물은 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤이다.

첫 번째 반응과정은 상기 화학식 2로 표시되는 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤의 개환반응이다.

본 발명의 개환반응은 에스테르기를 가수분해하는 반응과 유사하나, 반응 메카니즘적으로 화학식 2로 표시되는 화합물의 카르보닐기의 β-위치에는 이탈되기 쉬운 3-활성화된 히드록시기가 존재하기 때문에 통상의 가수분해방법으로는 전혀 불가능하다. 이에 대해서는 일반적으로 잘 알려져 있는 몇몇 가수분해 반응을 진행시켜 보았지만, 화학식 2로 표시되는 화합물이 목적하는대로 개환되지 않아 본 발명에서 목적으로 하는 화학식 3으로 표시되는 화합물은 얻을 수 없었다. 예를들면, 수산화나트륨 존재하에서의 물을 용매로하여 가수분해하는 방법은 비가역 반응으로서 정량적인 가수분해반응이 진행되는 것으로 알려져 있지만, 화학식 2로 표시되는 화합물중 3-메탄술포닐히드록시부티로락톤을 사용하여 개환반응을 시도하였을 때 술포닐히드록시기(-OR)가 제거된 화합물이 주로 얻어졌다. 수산화나트륨 이외에도 염기로서 수산화칼륨 등의 무기 염기류, 트리에틸아민, 피리딘 등의 유기 아민류 등의 다양한 염기를 사용하여 개환반응을 수행해보았지만, 역시 술포닐히드록시기(-OR)가 제거된 화합물이 주생성물로 얻어졌고 원하는 물질은 거의 얻을 수 없었다. 특히, 미국특허 제5,473,104호(1995)에 근거해서 1 당량의 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤과 염기로서 1 당량 내지 2 당량의 25% 트리메틸아민 수용액을 혼합한 후, 상온에서 교반하여 반응시키면 개환반응이 진행되지 않고 10분이내에 메탄술포닐기가 이탈된 화합물만이 거의 정량적으로 형성됨을 핵자기공명분석법을 통해서 확인하였다. 즉, 상기와 같은 반응조건하에서는 L-카르니틴이 생성되지 않았다.

한편, 상기 개환반응에서의 (S)-3-활성화된 히드록시기(-OR)의 영향을 조사하기 위하여 히드록시기가 활성화되지 않은 3-히드록시부티로락톤을 같은 조건에서 반응을 진행시켰을 때에는 탈수반응이 진행되지 않고 원하는 3,4-히드록시부티르산을 정량적으로 얻을 수 있었다.

이러한 실험결과를 토대로 하면, 상기 화학식 2로 표시되는 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤의 α-위치의 수소는 카르보닐기의 영향으로 산성도가 커서 염기가 카르보닐기를 공격하기 전에 α-위치의 수소를 먼저 공격하여 술포닐히드록시기가 이탈되기 때문인 것으로 판단된다.

이러한 결과에 착안하여 카르보닐기의 α-위치의 수소가 산성조건에서는 제거되지 않고 안정할 수 있을 것이라는 예측하에 산촉매하에서 개환반응을 시도하였다. 이때, 산촉매로는 황산, 염산, 인산 등의 무기산 또는 메탄술폰산, 톨루엔술폰산, 캄파산 등의 유기산 등이 사용될 수 있다. 그리고 반응용매로는 물단독 용매를 사용하나, 출발물질인 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤의 용해도를 높이는 목적으로 물과 혼합 가능한 유기용매 예를들면 탄소원자수 1 ~ 4의 알콜, 테트라히드로퓨란 및 아세토니트릴 중에서 선택된 것을 함께 사용할 수도 있다. 물과 유기용매의 혼합비는 대략 95 : 5(v/v) ~ 50 : 50(v/v) 정도가 바람직하다.

그 예로서, 상기 화학식 2로 표시되는 화합물중 3-메탄술포닐히드록시부티로락톤을 사용하고 물을 용매로 하여 0.1 당량의 황산 촉매하에서 50℃에서 3시간 교반한 후 반응액을 핵자기공명분석법을 이용해 분석한 결과, 목적으로 하는 화학식 3으로 표시되는 화합물이 존재한다는 사실은 확인할 수 있었다.

한편, 산촉매를 첨가하지 않고 반응시키면 반응초기에 소량의 3-메탄술포닐히드록시부티로락톤이 분해되어 메탄술포닐히드록시기가 제거된 퓨라논과 더불어 메탄술폰산이 생성되며, 생성된 메탄술폰산이 결국은 산촉매로 작용하여 개환반응이 진행됨을 확인할 수 있었다. 그러나, 산촉매가 별도로 첨가되지 않으면 반응속도가 2배이상 느려지고, 분해반응과 같은 부반응이 진행되어 목적으로하는 3-메탄술포닐히드록시부티르산의 수율이 낮아진다. 다시말하면, 반응초기에 별도로 산촉매를 투입하지 않아도 자체내에서 생성된 산촉매에 의해 개환반응은 일어날 수 있으나 실제반응에서는 산촉매를 사용하는 것이 반응속도 및 수율면에서 더욱 바람직하다.

상기 개환반응은 가역반응이기 때문에 출발물질과 원하는 개환 화합물이 동시에 반응액내에 존재하고 있으며, 화학식 3으로 표시되는 개환 화합물만을 얻기위해 용매를 제거하고 개환 화합물의 분리를 시도할 경우 개환 화합물이 다시 고리가 닫혀 출발물질로 돌아가는 문제점을 가지고 있다.

이에 수용액층을 유기용매로 추출하여 미반응 출발물질을 분리 회수하는 방법을 시도하였다. 즉, 화학식 2로 표시되는 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤을 D₂O 용액에서 황산을 촉매로 하여 개환반응을 시도한 후 반응액을 CH₂Cl₂을 이용하여 추출하여 미반응 출발물질을 회수하는 실험을 실시하였고, 이를 핵자기 공명 분석기로 분석한 결과 CH₂Cl₂용액에는 사용된 화학식 2로 표시되는 화합물이 37 mol% 함유되어 있었고, D₂O 용액에는 화학식 3으로 표시되는 개환 화합물이 63 mol% 함유되어 있었다. 아울러 실제반응에서 회수된 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤은 매우 순수한 상태여서 추가로 정제과정을 거치지 않고 개환반응에 직접 사용할 수 있었다.

상기와 같은 실험 결과에서 보여 주듯이, 화학식 3으로 표시되는 개환 화합물은 물층에 존재하고 유기층에는 존재하지 않으며, 미반응 물질인 화학식 2로 표시되는 화합물은 유기층에 존재하고 물층에는 존재하지 않아 매우 만족스러운 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 물층에 존재하는 화학식 3으로 표시되는 화합물의 순도는 더 정제하지 않고 다음 반응에 사용할 수 있을 정도로 매우 순수하였으며, 수용액 상태에서 안정하여 상온에서 12시간동안 보관하여도 다시 고리화되는 반응이 거의 진행되지 않는 사실을 확인할 수 있었다.

개환되지 않은 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤을 회수하기 위한 용매로서는 상술한 디클로로메탄 이외에도 물과 섞이지 않는 용매로서 클로로포름, 테트라클로로메탄, 디클로로에탄 등의 할로알칸, 벤젠, 톨루엔 등의 방향족 용매, 에틸 에테르, 프로필 에테르 등의 다양한 용매가 사용될 수 있다.

다음 반응단계는 상기 화학식 3으로 표시되는 개환 화합물을 염기의 존재하에서 입체 선택적으로 키랄센터가 역전화되는 에폭시화 반응을 거쳐 광학적으로 순수한 상기 화학식 4로 표시되는 3,4-에폭시부티르산을 제조하는 단계로서, 현재까지 이러한 반응은 문헌상에 시도된 예가 없다.

상기 개환반응을 통해 얻어진 상기 화학식 3으로 표시되는 4-히드록시-3-활성화된 히드록시부티르산을 염기의 존재하에서 에폭시화를 통한 역전화반응을 시도하였다. 우선 대표적 물질로서 상기 개환반응에서 얻어진 4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산의 수용액을 사용하고, 2.3 당량의 수산화나트륨 염기를 사용하여 상온에서 수용액 상태로 반응을 시도하였다.

상기 반응은 상온에서 30분 이하의 짧은 시간에 진행되는 놀라운 반응성을 보여 주었다. 반응액을 핵자기공명분석법을 이용해서 분석하여 90% 이상의 전환율을 확인할 수 있었으며, 반응액을 산성화한 후 에틸 에테르로 추출하여 55% 수율로 (R)-3,4-에폭시부티르산을 얻을 수 있었다.

본 발명에 따른 에폭시화 반응에서 염기로는 무기염기를 선택하여 사용하거나 또는 유기염기를 선택하여 사용하여도 좋은 결과를 얻을 수 있다. 본 발명에서 사용될 수 있는 염기의 종류를 구체적으로 예시하면 수산화칼륨, 수산화나트륨, 수산화리튬 등의 다양한 알칼리금속 수산화물; 수산화마그네슘, 수산화칼슘, 수산화바륨 등의 다양한 알칼리토금속 수산화물; 소듐 메톡사이드, 소듐 에톡사이드, 소듐 t-부톡사이드 등의 알칼리금속 알콕사이드; 테트라부틸 암모니움 히드록사이드, 벤질트리메틸 암모니움 히드록사이드 등의 4차 아민 히드록사이드; NR¹R²R³(이때 R¹, R²및 R³은 각각 탄소원자수 1 ~ 7의 알킬기), NHR⁴R⁵(이때 R⁴및 R⁵는 각각 탄소원자수 2 ~ 7의 알킬기), NH₂R⁶(이때 R⁶은 탄소원자수 3 ~ 9의 알킬기) 등의 알킬아민으로서 예를들면 트리메틸아민, 트리에틸아민, 트리프로필아민, 디프로필아민, 디부틸아민, t-부틸아민 등이다.

한편, 사용하는 염기의 양은 염기성의 정도나 종류에 따라 변화될 수 있으나, 대략 1.0 당량 내지 4.0 당량 사용하는 것이 바람직하다.

상기 결과를 토대로 하여 카르복실기가 아닌 에스테르기를 가진 4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산 메틸 에스테르를 테트라히드로퓨란 용매에서 수소화나트륨 염기를 사용하여 에폭시화를 시도하였으나, 원하는 에폭시화된 화합물은 얻을 수 없었고 메탄술포닐기가 이탈된 화합물만을 얻을 수 있었다.

이러한 결과는 카르복시기의 염기에 의한 음이온의 형성은 매우 중요하다는 사실을 확인시켜 주고 있다. 이는 카르보닐기 α-위치의 수소가 산성도가 높아 염기에 의해서 공격받기 쉽기 때문인 것으로 판단되며, 본 반응 단계에서 이와 같은 메탄술포닐히드록시기(-OMs)의 이탈반응이 진행되지 않는 이유는 4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산의 카르복시기가 음이온을 띠는 경우에는 이 음이온의 영향으로 α-위치의 수소의 산성도가 떨어져 염기에 의해서 공격받기 어려운 때문인 것으로 판단된다.

마지막 제조과정으로서 상기에서 얻어진 (R)-3,4-에폭시부티르산과 트리메틸아민을 반응시켜 L-카르니틴을 제조하는 방법은 공지방법[J. Org. Chem., vol.49, 3707~3711(1984); Helvetica Chimica Acta, vol.70, 142~152(1987); 유럽특허 제237,983호(1987)]과 유사하다.

위 반응에서 얻어진 3,4-에폭시부티르산의 나트륨염은 분리하지 않고 곧바로 반응액에 2 당량의 25% 트리메틸아민 수용액을 가하고 45℃에서 2시간 교반하여 반응시켜 L-카르니틴을 얻는다. 반응물로부터 L-카르니틴을 분리 정제하는 방법은 통상의 방법에 의하며, 바람직하기로는 양이온 교환수지(Amberlite IR-120)를 사용하는 것이다. 양이온 교환수지(Amberlite IR-120)를 사용한 분리 정제방법에 의한 경우, 얻어진 L-카르니틴의 광학순도는 95 % 이상이며, 수율은 약 55% 이상이다. 또한, 에폭시화 반응시 형성되는 3,4-에폭시부티르산의 나트륨염을 황산으로 중화시켜 3,4-에폭시부티르산으로 변환시킨 후 트리메틸아민과 반응시켜도 비슷한 결과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 L-카르니틴의 제조방법은 상기 화학식 2로 표시되는 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤을 원료물질로 하여 개환반응, 에폭시화에 의한 키랄센터의 역전화반응, 친핵성 치환반응을 차례로 수행하되, 황산, 수산화나트륨, 트리메틸아민 등의 값싼 화합물들을 사용하여 수용액 상태에서 별도의 정제과정이 필요없이 한 반응기내에서 연속적으로 반응을 시행하여 산업적으로 유용한 L-카르니틴의 제조방법임을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 핵심반응중의 하나인 에폭시화 반응에 의한 키랄센터의 역전화는 친핵성 치환반응의 일종으로 화학적 반응의 특성상 원료물질로서 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤 대신에 (R)-3-활성화된 히드록시부티로락톤을 사용하면 D-카르니틴도 제조할 수 있다.

이와같은 본 발명을 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같은 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

실시예 1 : (S)-3-메탄술포닐히드록시-부티로락톤의 제조

250 ㎖ 반응기에 (S)-3-히드록시-감마-부티로락톤(10.2g, 0.10 mol), 메탄술포닐 클로라이드(18.3g, 0.16 mol) 및 디클로로메탄(100 ㎖)을 넣은 후, 0℃에서 50% 트리에틸아민-디클로로메탄 용액(30.4g, 0.15mmol)을 1시간동안 적가 주입하였다. 적가후 0℃를 유지하면서 3시간동안 교반하였다. 반응액을 증류수(100 ㎖)로 두번 추출하여 생성된 염을 제거하고, 디클로로메탄액을 마그네슘 설페이트로 건조하고 여과한 후, 감압증류기로 용매를 감압하에서 천천히 농축시켜 고체를 얻었다. 얻어진 고체를 디클로로메탄과 n-헥산으로 재결정하고 결정을 여과, 건조하여 순수한 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤(14.4g, 수율80%)을 얻었다.

¹H-NMR(아세톤-d₆, ppm) : δ2.7~3.2(m, 2H, -CH₂CO-), 3.2(s, 3H, CH₃SO₃-), 4.5~4.8(m, 2H, O-CH₂CH(OMs)-), 5.5~5.6(m. 1H, O-CH₂CH(OMs)-)

¹³C-NMR(아세톤-d₆, ppm): δ 35.31(-CH₂CO-), 37.97(CH₃SO₃-), 73.41(-CH₂CH(OMs)-), 77.39(O-CH₂CH(OMs)-), 174.45(-CH₂CO-)

실시예 2 : L-카르니틴의 제조

250 ㎖ 반응기에 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤(10.0g, 55.6 mmol),물(100 ㎖) 및 농축 황산(0.549g, 5.60 mmol)을 넣은 후, 50℃에서 3시간 동안 교반하였다. 반응액을 상온으로 냉각시킨 후 디클로로메탄(100 ㎖)으로 두번 추출하여 미반응된 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤을 회수하였고(회수량 3.7g), 수용액층에는 원하는 (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산이 존재하였다.

얻어진 (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산(35.0 mmol)이 함유된 반응액에 3N 수산화나트륨 수용액(27.1 ㎖, 81.3 mmol)을 넣은 후, 상온에서 10분동안 교반하였다. 수용액층에는 원하는 (R)-3,4-에폭시부티르산 나트륨염이 존재하며, 반응액에 25 w% 트리메틸아민 수용액(16.5g, 69.8 mmol)을 넣은 후 45℃에서 2시간 동안 교반하였다. 반응액을 감압하에서 증류하여 대부분의 용매를 제거한 후, 소량의 물에 녹여 양이온교환수지(Amberite IR-120)을 채운 칼럼에 넣은 후, 순수를 흘러보내 불순물을 제거하고 pH가 7에 도달하면 다음으로 2% 암모니아 수용액을 흘려서 L-카르니틴이 포함된 수용액을 얻고 감압하에서 용매를 제거한 다음, 70℃에서 이소프로판올에 용해시킨 후 녹지 않은 미량의 불순물을 여과하여 제거하였다. 이를 감압하에서 다시 농축한 후, 이소프로판올과 아세톤의 혼합용매를 이용해서 재결정하면 순수한 L-카르니틴(3.1g, 수율 55%)를 얻었다.

[α]_D ²⁵= -30(c 2, H₂O) [문헌치: [α]_D ²⁵= -31]

¹H-NMR(D₂O, ppm) : δ2.3(m, 2H, -CH₂CO₂-H), 3.1(s, 9H, (CH₃)₃N⁺-), 3.3(m, 2H, (CH₃)₃N⁺-CH₂- ), 4.4 (m, 1H, -CH(OH)-)

¹³C-NMR(D₂O, ppm): δ43.35(-CH₂CO₂-H), 54.41(t, J=4Hz, (CH₃)₃N⁺-),

64.41(-CH(OH)-), 70.44((CH₃)₃N⁺-CH₂-), 178.25(-CH₂CO₂-H)

실시예 3 : (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산의 제조

25 ㎖ 반응기에 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤(1.0g, 5.6 mmol), D₂O(10 ㎖) 및 농축 황산(0.0549g, 0.56 mmol)을 넣은 후, 50℃에서 3시간 동안 교반하였다. 반응액을 상온으로 냉각시킨 후 디클로로메탄(10 ㎖)으로 두번 추출하여 미반응된 (S)-3-메탄술포닐히드록시부티로락톤을 회수하였다. D₂O층에는 원하는 (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산이 매우 순수한 상태로 존재함을 핵자기공명분석법을 이용하여 확인하였다.

¹H-NMR(D₂O, ppm) : δ2.6~2.8(m, 2H, -CH₂CO₂H), 3.1(s, OSO₂CH₃),

3.6~3.9(m, 2H, HOCH₂-), 4.9~5.1(m, 1H, -CH(OMs)-)

¹³C-NMR(D₂O, ppm): δ36.27(-CH₂CO₂H), 38.15(OSO₂CH₃), 62.94(-CH(OMs)-),

80.81(HOCH₂-), 174.04(-CH₂CO₂H)

실시예 4 : (R)-3,4-에폭시부티르산 나트륨염의 제조

상기 실시예 3에서 얻은 (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산이 함유된 반응액에 3N 수산화나트륨 수용액(2.7 ㎖, 8.1 mmol)을 넣은 후, 상온에서 10분동안 교반하였다. 반응액에 원하는 (R)-3,4-에폭시부티르산 나트륨염이 매우 순수한 상태로 존재함을 핵자기공명분석법을 이용해서 확인하였다.

¹H-NMR(D₂O, ppm) : δ2.3~2.5(m, 2H, CH₂-CO₂Na), 2.6~2.9(m, 2H), 3.2~3.3(m, 1H)

¹³C-NMR(D₂O,ppm): δ40.87(-CH₂-CO₂Na), 48.24(4-CH₂), 51.08(3-CH), 179.41(-CO₂Na)

실시예 5 : (R)-3,4-에폭시부티르산 나트륨염의 제조

상기 실시예 3에서 제조한 (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산이 함유된 D₂O 반응액에 소듐 메톡사이드(438mg, 8.11 mmol)을 넣은 후, 상온에서 20분동안 교반하였다. 반응액층에 원하는 (R)-3,4-에폭시부티르산 나트륨염이 존재함을 핵자기공명 분석법에 의해 확인하였다

¹H-NMR(D₂O, ppm): δ2.3~2.5(m, 2H, CH₂-CO₂Na), 2.6~2.9(m, 2H),

3.2~3.3(m, 1H, 3-H)

¹³C-NMR(D₂O, ppm):δ40.89(-CH₂-CO₂Na), 48.25(4-CH₂), 51.10(3-CH), 179.37(-CO₂Na)

실시예 6 : (R)-3,4-에폭시부티르산 칼슘염의 제조

상기 실시예 3에서 제조한 (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산이 함유된 D₂O 반응액에 수산화칼슘(340mg, 4.59 mmol)을 넣은 후, 상온에서 30분동안 교반하였다. 반응액층에 원하는 (R)-3,4-에폭시부티르산 칼슘염이 존재함을 핵자기공명 분석법에 의해 확인하였다

¹H-NMR(D₂O, ppm): δ2.3~2.4(m, 2H, CH₂-CO₂Ca), 2.5~2.8(m, 2H),

3.2~3.3(m, 1H, 3-H)

¹³C-NMR(D₂O, ppm):δ40.78(-CH₂-CO₂Ca), 48.23(4-CH₂), 51.05(3-CH), 179.52(-CO₂Ca)

실시예 7 : (R)-3,4-에폭시부티르산 테트라부틸 암모니움염의 제조

상기 실시예 3에서 제조한 (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산이 함유된 D₂O 반응액에 테트라부틸암모니움 히드록사이드의 1.0M 메탄올 용액(8.12㎖, 8.12mmol)을 넣은 후, 상온에서 30분동안 교반하였다. 반응액층에 원하는 (R)-3,4-에폭시부티르산 테트라부틸 암모니움염이 존재함을 핵자기공명 분석법에 의해 확인하였다

¹H-NMR(D₂O, ppm): δ2.2~2.3(m, 2H, CH₂-CO₂NBu₄), 2.5~2.8(m, 2H),

3.2~3.3(m, 1H, 3-H)

¹³C-NMR(D₂O, ppm):δ41.09(-CH₂-CO₂NBu₄), 48.23(4-CH₂), 51.14(3-CH), 178.54(-CO₂NBu₄)

실시예 8 : (R)-3,4-에폭시부티르산 트리에틸아민염의 제조

상기 실시예 3에서 제조한 (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산이 함유된 D₂O 반응액에 트리에틸아민(790mg, 7.81mmol)을 넣은 후, 상온에서 30분동안 교반하였다. 반응액층에 원하는 (R)-3,4-에폭시부티르산 트리에틸아민염이 존재함을 핵자기공명 분석법에 의해 확인하였다

¹H-NMR(D₂O, ppm): δ2.2~2.4(m, 2H, CH₂-CO₂HNEt₃), 2.5~2.8(m, 2H),

3.1~3.2(m, 1H, 3-H)

¹³C-NMR(D₂O, ppm):δ40.94(-CH₂-CO₂HNEt₃), 48.15(4-CH₂), 51.04(3-CH), 178.97(-CO₂HNEt₃)

실시예 9 : (R)-3,4-에폭시부티르산 디이소프로필아민염의 제조

상기 실시예 3에서 제조한 (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산이 함유된 D₂O 반응액에 디이소프로필아민(790mg, 7.81mmol)을 넣은 후, 상온에서 2시간동안 교반하였다. 반응액층에 원하는 (R)-3,4-에폭시부티르산 디이소프로필아민염이 존재함을 핵자기공명 분석법에 의해 확인하였다

¹H-NMR(D₂O, ppm): δ2.2~2.4(m, 2H, CH₂-CO₂HN(H)Prⁱ ₂), 2.5~2.8(m, 2H),

3.1~3.2(m, 1H, 3-H)

¹³C-NMR(D₂O, ppm):δ40.92(-CH₂-CO₂HN(H)Prⁱ ₂), 48.12(4-CH₂), 51.02(3-CH), 178.95(-CO₂HN(H)Prⁱ ₂)

실시예 10 : (R)-3,4-에폭시부티르산 t-부틸아민염의 제조

상기 실시예 3에서 제조한 (S)-4-히드록시-3-메탄술포닐히드록시부티르산이 함유된 D₂O 반응액에 t-부틸아민(571mg, 7.81mmol)을 넣은 후, 상온에서 4시간동안 교반하였다. 반응액층에 원하는 (R)-3,4-에폭시부티르산 t-부틸아민염이 존재함을 핵자기공명 분석법에 의해 확인하였다

¹H-NMR(D₂O, ppm): δ2.1~2.4(m, 2H, CH₂-CO₂HNH₂Bu^t), 2.5~2.8(m, 2H),

3.1~3.2(m, 1H, 3-H)

¹³C-NMR(D₂O, ppm):δ40.88(-CH₂-CO₂HNH₂Bu^t), 48.13(4-CH₂), 51.01(3-CH),

179.10(-CO₂HNH₂Bu^t)

본 발명에 따른 L-카르니틴의 제조방법은 유기용매의 사용을 줄이고 수용액 상태에서 값싼 화합물을 사용하고 있으며, 제조수율 및 순도가 높아 별도의 정제과정없이 하나의 반응기내에서 연속적으로 수행이 가능하므로 산업적으로 매우 유용하다.

Claims

(S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤으로부터 L-카르니틴을 제조함에 있어서,

다음 화학식 2로 표시되는 (S)-3-활성화된 히드록시부티로락톤을 수용매하에서 개환반응시켜 다음 화학식 3으로 표시되는 4-히드록시-3-활성화된 히드록시부티르산을 제조하고;

상기 화학식 3으로 표시되는 4-히드록시-3-활성화된 히드록시부티르산을 염기의 존재하에서 키랄센터의 역전화반응을 시켜 다음 화학식 4로 표시되는 3,4-에폭시부티르산을 제조한 다음;

상기 화학식 4로 표시되는 3,4-에폭시부티르산과 트리메틸아민을 친핵성 치환반응시키는 것을 특징으로 하는 다음 화학식 1로 표시되는 L-카르니틴의 제조방법.

화학식 1

화학식 2

화학식 3

화학식 4

상기 화학식들에서, R은 알킬 또는 아릴술포닐기, 아실기 또는 인산기이다.
제 1 항에 있어서, 상기 R은 탄소원자수 1 ~ 12의 알킬술포닐 또는 할로알킬술포닐기, 벤젠술포닐기, 톨루엔술포닐기, 할로벤젠술포닐기, 나프탈렌술포닐기, 알콕시벤젠술포닐기 및 니트로벤젠술포닐기 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 2 항에 있어서, 상기 R은 메탄술포닐기인 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 개환반응은 물 단독용매, 또는 물과 유기용매의 혼합용매하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 4 항에 있어서, 상기 유기용매는 탄소원자수 1 ~ 4의 알콜, 테트라히드로퓨란 및 아세토니트릴 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 1 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 개환반응을 산촉매하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 6 항에 있어서, 상기 산촉매는 황산, 염산, 인산, 메탄술폰산, 톨루엔술폰산 및 캄파산 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 역전화반응은 알칼리금속 수산화물, 알칼리토금속 수산화물, 알칼리금속 알콕사이드 및 4차 아민 히드록사이드 중에서 선택된 염기존재하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 8 항에 있어서, 상기 알칼리금속 수산화물은 수산화나트륨. 수산화칼륨 및 수산화리튬 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 8 항에 있어서, 상기 알칼리토금속 수산화물은 수산화마그네슘, 수산화칼슘 및 수산화바륨 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 8 항에 있어서, 상기 알칼리금속 알콕사이드는 소듐 메톡사이드, 소듐 에톡사이드 및 소듐 t-부톡사이드 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 8 항에 있어서, 상기 4차 아민 히드록사이드는 테트라부틸 암모니움 히드록사이드 및 벤질트리메틸 암모니움 히드록사이드 중에서 선택된 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 역전화반응은 알킬아민 염기존재하에서 수행하는 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 13 항에 있어서, 상기 알킬아민은 NR¹R²R³(이때 R¹, R²및 R³은 각각 탄소원자수 1 ~ 7의 알킬기)인 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 13 항에 있어서, 상기 알킬아민은 NHR⁴R⁵(이때 R⁴및 R⁵는 각각 탄소원자수 2 ~ 7의 알킬기)인 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 13 항에 있어서, 상기 알킬아민은 NH₂R⁶(이때 R⁶은 탄소원자수 3 ~ 9의 알킬기)인 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 8 항 또는 제 13 항에 있어서, 상기 염기는 1.0 ~ 4.0 당량비 범위내에서 사용하는 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.
제 1 항에 있어서, 상기 친핵성 치환반응 물질로서 트리메틸아민을 사용하는 것을 특징으로 하는 L-카르니틴의 제조방법.