PL238242B1 - Sposób wytwarzania pochodnych morfolino-2,5-dionów przez cyklizację N-(2-haloacylo)-α-aminokwasów - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania pochodnych morfolino-2,5-dionów poprzez cyklizację N-(2-haloacylo)-a-aminokwasów.

Cykliczne depsipeptydy to cykliczne amidoestry, pochodne α-hydroksykwasu karboksylowego i α-aminokwasu. Po raz pierwszy wykryto je w dużych ilościach w mieszaninie produktów metabolizmu bakterii. Stwierdzono, że wykazują niezwykle dużą aktywność antybiotyczną [1-3]. Do grona cyklicznych depsipeptydów należą pochodne morfolino-2,5-dionu [4].

Związki te nie są trwałe, ulegają otwarciu pierścienia wskutek hydrolizy wilgocią z powietrza. Dotychczas nie są otrzymywane na skalę przemysłową ze względu na trudność syntezy i nietrwałość. Klasyczną metodą ich otrzymywania jest cyklizacja soli sodowej adduktu α-hydroksykwasu bądź α-halogenokwasu i α-aminokwasu związanych wiązaniem amidowym, w wyniku której otrzymuje się czysty produkt [4].

Wydajność reakcji zależy od podstawników, w szczególności przy węglu C3. Otrzymywanie pochodnej zawierającej jednostkę glicyny (R² = H) jest najtrudniejsze, ze względu na brak podstawnika we wspomnianej pozycji. Powodem tego jest duża energia przekształcenia konformacji „trans” (wyprostowany łańcuch substratu) w „cis” (grupa karboksylowa skierowana w stronę halogenu bądź grupy hydroksylowej), która jest konieczna do zamknięcia pierścienia. Im większa zawada steryczna w pozycji C3 tym ta energia aktywacji jest mniejsza i cyklizacja zachodzi łatwiej [5].

Znane są trzy metody cyklizacji prowadzącej do morfolino-2,5-dionów [6]: według mechanizmu substytucji nukleofilowej, metoda (trans)estryfikacji lub laktamizacji. Ta ostatnia jest rzadko wykorzystywana w praktyce. Mimo wspomagania matrycą polimerową, co w teorii powinno ułatwić wydzielenie produktu, wydajność reakcji jest niska (ok. 10%) [7].

Hartwig i Schoellkopf, jako pierwsi opisali syntezę morfolino-2,5-dionów metodą estryfikacji. Cyklizację N-(a-hydroksyacylo)-a-aminokwasów prowadzili z wysoką wydajnością, w bardzo rozcieńczonym roztworze chloroformu i benzenu. Reakcja cyklizacji biegła według mechanizmu estryfikacji wewnątrzcząsteczkowej [8]. Cyklizację N-(a-hydroksyacylo)-a-aminokwasów prowadzono wobec różnych katalizatorów. W reakcjach katalizowanych kwasem p -toluenosulfonowym, kwasem trifluorometanosulfonowym lub kwasem metanosulfonowym wydajność była nie wyższa niż 38%. Cyklizacja, w której jako katalizatora użyto karbonylodiimidazolu, przebiegała z ilościową wydajnością, jednak oddzielenie morfolino-2,5-dionu od imidazolu było trudne, dlatego produkt wydzielono z wydajnością tylko 15%. Pod zmniejszonym ciśnieniem i w wysokiej temperaturze N-(a-hydroksyacylo)-a-aminokwas cyklizował samorzutnie tworząc pochodne morfolino-2,5-dionu [6, 8]. Metoda (trans)estryfikacji [9] jest uciążliwa technologicznie, ponieważ wymaga użycia suchych rozpuszczalników i żmudnego oczyszczania produktu przez chromatografię kolumnową. Wiąże się to z otrzymywaniem niewielkiej ilości produktu w jednej szarży (bardzo małe stężenie produktu w operacji oczyszczania chromatograficznego). Niewątpliwą zaletą tej metody jest jednakże możliwość kontrolowania stereochemii chiralnego węgla C6 (o ile występuje).

Przedmiotem wynalazku jest metoda wykorzystująca mechanizm substytucji nukleofilowej. W produktach otrzymanych tą metodą centrum chiralne przy węglu C3 nie ulega zmianie, jednak w pozycji C6 następuje racemizacja. Już w 1942 roku próbowano zsyntezować 6-metylomorfolino-2,5-dion przez ogrzewanie soli sodowej N-(2-bromopropionylo)glicyny [10]. Kricheldorf syntetyzował N-chloroacetylowe aminokwasy poprzez sililowanie α-aminokwasów chlorotrimetylosilanem wobec trietyloaminy, a następnie poddawał je reakcji z chlorkiem chloroacetylu. Estry sililowe hydrolizował i bezpośrednio przekształcał w odpowiednie sole sodowe [11]. Cyklizację soli sodowych N-(α-haloacetylowych) i N-(α-halopropionylowych) aminokwasów prowadzono również wobec trietyloaminy w dużym rozcieńczeniu dimetyloformamidu. Powstawały produkty uboczne, co powodowało zmniejszenie wydajności syntezy. Tym sposobem udało się zsyntezować morfolino-2,5-diony z 38-55% wydajnością [6, 8].

Wynalazek wykorzystuje sublimację czystego produktu. W podobny sposób Helder et al. [12] uzyskali 6-metylomorfolino-2,5-dion z soli pochodnej bromowej poprzez ogrzewanie pod niskim ciśnieniem w 125°C. Syntezę poprzedzali suszeniem soli poprzez kilkukrotną destylację z suchym etanolem. Otrzymano zanieczyszczony produkt z wydajnością 39%. Goodman et al. [13] zsyntezowali morfolino-2,5-diony będące pochodnymi glicyny, alaniny i waliny oraz kwasu glikolowego i mlekowego, również stosując gradient temperatury, np. 80-130-150°C przez odpowiednio 2-4-4 h. Substratem były odpowiednie sole sodowe, osadzone dodatkowo na matrycy z Celitu. Wydajność w zależno

PL 238 242 Β1 ści od aminokwasu wynosiła od 4 do 80%. Morfolino-2,5-dion uzyskano również poprzez sublimację w 180-200°C pod obniżonym ciśnieniem przez 16 lub 24 h z wydajnością zaledwie 5% [14],

Główną koncepcją nowego sposobu wytwarzania jest otrzymanie pochodnych morfolino-2,5-dionu bezpośrednio z kwasu karboksylowego, bez wydzielania i oczyszczania produktu pośredniego. Jest to bezrozpuszczalnikowa metoda typu „one pot”, która eliminuje konieczność uprzedniego przeprowadzenia kwasu karboksylowego w sól (np. sodową), za pomocą wodnych roztworów zasad. Przeprowadzanie w sól wymusza wydzielenie i oczyszczenie półproduktu, który ma postać lepkiego osadu. Osuszenie soli jest bardzo żmudne i czasochłonne (wielokrotne oddestylowywanie wody z rozpuszczalnikiem azeotropującym - etanolem lub toluenem). Bardzo dokładne usunięcie wody z półproduktu jest konieczne, ponieważ pochodne morfolino-2,5-dionów są wrażliwe na wilgoć, która powoduje otwarcie pierścienia. Sposób wytwarzania według wynalazku eliminuje ten problematyczny etap.

Sposób wytwarzania pochodnych morfolino-2,5-dionów o wzorze ogólnym 1,

Wzór 1 w którym Ri oznacza: H, CH3, C4H9, CH2COOH, CH(OH)COOH, czyli jest fragmentem pochodzącym od odpowiednio: kwasu glikolowego, mlekowego, 2-hydroksyheksanowego, jabłkowego lub winowego, a R2 oznacza: H, CH3, /-C3H7, (CH2)4NH(CO)OBn, CH2OH, CH(OH)CH3, grupę benzylową, czyli jest fragmentem pochodzącym od α-aminokwasu: glicyny, alaniny, waliny, lizyny z zabezpieczoną grupą aminową, seryny, treoniny lub fenyloalaniny, według wynalazku charakteryzuje się tym, że /V-(2-haloacylo)-a-aminokwas o wzorze ogólnym 2

o r₂

Wzór 2 gdzie R1 i R2 mają wyżej podane znaczenie, a X jest halogenem, ogrzewa się w obecności stałego węglanu sodu, wapnia, potasu lub magnezu w stosunku wagowym od 1:1 do 1:5, przy jednocześnie obniżonym ciśnieniu, co powoduje sublimację produktu końcowego. Ogrzewanie prowadzi się w reaktorze zaopatrzonym w wymrażacz, w temperaturze 60-120°C i utrzymuje w tej temperaturze przez 0,5-4 h mieszając zawartość z szybkością 100-1000 min¹ utrzymując ciśnienie od 0,1 do 100 hPa. Następnie obniża się temperaturę wymrażacza, podnosi temperaturę w reaktorze do 120-140°C i utrzymuje przez 2-8 h, po czym podnosi się temperaturę o 10-30°C i tak prowadzi reakcję jeszcze przez 0-4 h. Wysublimowany produkt wymywa się rozpuszczalnikiem i filtruje. Roztwór pochodnej morfolinodionu zatęża się, a czysty produkt wytrąca się nierozpuszczalnikiem.

Korzystnie X oznacza Cl, Br, I.

Korzystnie wysublimowany produkt wymywa się: octanem etylu, chloroformem, dichlorometanem, toluenem.

Korzystnie czysty produkt wytrąca się: eterem dietylowym, diizopropylowym, te/Y-butylowometylowym, heksanem, heptanem.

Korzystnie reakcję ogrzewania prowadzi się w reaktorze zaopatrzonym w element mieszający o wielkości 1-10% objętości reaktora. Korzystnie ogrzewanie prowadzi się w reaktorze wypełnionym w zakresie 1-20% jego objętości. Korzystnie do mieszaniny reakcyjnej dodaje się inertny stały nośnik ciepła, taki jak np. ziemia okrzemkowa.

W korzystnym wykonaniu reakcję przeprowadza się w szerokim reaktorze okrągłodennym, zaopatrzonym w element mieszający i termoparę. U góry reaktora montuje się wymrażacz podłączony do pompy olejowej, a pomiędzy tymi dwoma urządzeniami montuje się trap zbierający wodę oraz nasadkę trójdrożną, podłączoną dodatkowo do źródła gazu obojętnego (np. argon lub azot podawane z balonu lub butli).

Sposobem według wynalazku możliwe jest otrzymanie morfolino-2,5-dionów, z wydajnością sięgającą nawet 86%. Osiąga się również znaczną oszczędność czasu i kosztów. Niewątpliwą zaletą wynalazku jest otrzymywanie czystego produktu, bez dodatkowych etapów oczyszczania, np. krystalizacji.

PL 238 242 B1

Morfolino-2,5-diony otrzymane sposobem według wynalazku, są monomerami w otrzymywaniu polidepsipeptydów, bądź w wyniku kopolimeryzacji z biodegradowalnymi poliestrami dają nowy, zmodyfikowany biomateriał m.in. do produkcji rusztowań polimerowych [4, 6, 15-16]. Istnieją również doniesienia o stosowaniu polidepsipeptydów w farmacji jako nośnik leków [4].

Wynalazek został bliżej przedstawiony w przykładach:

P r z y k ł a d 1. Otrzymywanie 6-metylomorfolino-2,5-dionu

Do kolby okrągłodennej o poj. 250 mL, zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne i termoparę dodano 5 g N-α-chloropropionyloglicyny oraz węglan sodu w stosunku wagowym 1:1,2. Reaktor zaopatrzono w wymrażacz, trap zbierający wodę, balon z argonem i pompę olejową.

Reaktor ogrzano do 80°C i utrzymywano w tej temperaturze przez 2 h mieszając zawartość z szybkością 200 min^-1 utrzymując ciśnienie od 0,1 hPa. Następnie obniżono temperaturę wymrażacza i podniesiono temperaturę w reaktorze do 140°C. Układ utrzymywano w tych warunkach przez 4 h, po czym podniesiono temperaturę o 20°C i tak prowadzono reakcję jeszcze przez 0,5 h. Po zakończeniu reakcji układ zapowietrzono argonem z balonu, a reaktor ochłodzono do temperatury 25°C.

Wysublimowany produkt wymyto octanem etylu i oddzielono od stałych pozostałości. Rozpuszczalnik oddestylowano. Produkt wytrącono w eterze dietylowym i odsączono. Wysuszono i przechowywano w naczyniu typu Schlenk.

Otrzymano 0,87 g 6-metylomorfolino-2,5-dionu. Wydajność reakcji 22,3%.

P r z y k ł a d 2. Otrzymywanie 3,6-dimetylomorfolino-2,5-dionu

Do kolby okrągłodennej o poj. 500 mL, zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne i termoparę dodano 3 g N-α-chloropropionyloalaniny oraz węglan wapnia w stosunku wagowym 1:1,8. Reaktor zaopatrzono w wymrażacz, trap zbierający wodę, balon z argonem i pompę olejową.

Reaktor ogrzano do 80°C i utrzymywano w tej temperaturze przez 2 h mieszając zawartość z szybkością 300 min^-1 utrzymując ciśnienie od 100 hPa. Następnie do wymrażacza dodano mieszaninę suchego lodu i acetonu i podniesiono temperaturę do 140°C. Układ utrzymywano w tych warunkach przez 3 h, po czym podniesiono temperaturę o 10°C i tak prowadzono reakcję jeszcze przez 0,5 h. Po zakończeniu reakcji układ zapowietrzono argonem z balonu, a reaktor ochłodzono do temperatury 25°C.

Wysublimowany produkt wymyto octanem etylu i oddzielono od stałych pozostałości. Rozpuszczalnik oddestylowano. Produkt wytrącono w eterze dietylowym i odsączono. Wysuszono i przechowywano w naczyniu typu Schlenk.

Otrzymano 1,72 g 3,6-metylomorfolino-2,5-dionu. Wydajność reakcji 71,4%.

P r z y k ł a d 3. Otrzymywanie 3-izopropylo-6-metylomorfolino-2,5-dionu

Do kolby okrągłodennej o poj. 500 mL, zaopatrzonej w mieszadło magnetyczne i termoparę dodano 3 g N-α-chloropropionylowaliny oraz węglan wapnia w stosunku wagowym 1:1,4. Reaktor zaopatrzono w wymrażacz, trap zbierający wodę, balon z argonem i pompę olejową.

Reaktor ogrzano do 90°C i utrzymywano w tej temperaturze przez 2 h mieszając zawartość z szybkością 900 min^-1 utrzymując ciśnienie od 50 hPa. Następnie do wymrażacza dodano mieszaninę suchego lodu i acetonu i podniesiono temperaturę do 130°C. Układ utrzymywano w tych warunkach przez 4 h. Po zakończeniu reakcji układ zapowietrzono argonem z balonu, a reaktor ochłodzono do temperatury 25°C.

Wysublimowany produkt wymyto eterem dietylowym i oddzielono od stałych pozostałości. Eter oddestylowano. Produkt wytrącono w heksanie i odsączono. Wysuszono i przechowywano w naczyniu typu Schlenk.

Claims (7)

1. Sposób wytwarzania pochodnych morfolino-2,5-dionów o wzorze ogólnym 1,

Wzór 1 w którym Ri oznacza: H, CH3, C4H9, CH2COOH, CH(OH)COOH, a R2 oznacza: H, CH3, /-C3H7, (CH2)4NH(CO)OBn, CH2OH, CH(OH)CH3, grupę benzylową, w reakcji substytucji nukleofilowej, z wykorzystaniem sublimacji produktu, znamienny tym, że /V-(2-haloacylo)-a-aminokwas o wzorze ogólnym 2

o r₂

Wzór 2 gdzie R1 i R2 mają wyżej podane znaczenie, a X jest halogenem, ogrzewa się w obecności stałego węglanu sodu, wapnia, potasu lub magnezu w stosunku wagowym od 1:1 do 1:5, w reaktorze zaopatrzonym w wymrażacz, w temperaturze 60-120°C i utrzymuje w tej temperaturze przez 0,5-4 h mieszając zawartość z szybkością 100-1000 min¹ utrzymując ciśnienie od 0,1 do 100 hPa, po czym obniża się temperaturę wymrażacza, podnosi temperaturę w reaktorze do 120-140°C i utrzymuje przez 2-8 h, a następnie podnosi się temperaturę o 10-30°C i tak prowadzi reakcję jeszcze przez 0-4 h, po czym wysublimowany produkt

PL 238 242 B1 wymywa się rozpuszczalnikiem i filtruje, roztwór produktu zatęża się, a czysty produkt wytrąca się nierozpuszczalnikiem.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że X oznacza Cl, Br, I.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wysublimowany produkt wymywa się: octanem etylu, chloroformem, dichlorometanem, toluenem.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że czysty produkt wytrąca się: eterem dietylowym, diizopropylowym, tert-butylowometylowym, heksanem, heptanem.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ogrzewanie prowadzi się w reaktorze zaopatrzonym w element mieszający o wielkości 1-10% objętości reaktora.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ogrzewanie prowadzi się w reaktorze wypełnionym w zakresie 1-20% jego objętości.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do mieszaniny reakcyjnej dodaje się inertny stały nośnik ciepła, taki jak ziemia okrzemkowa.