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Verfahren zur sterischen Umwandlung von Allothreonin in Threonin Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur sterischen Umwandlung von Allothreonin
in Threonin.
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Es ist bekannt, daß Threonin eine wichtige Aminosäure ist, die sowohl
bei der menschlichen Ernährung als auch in der Medizin von Bedeutung ist. Threonin
ist im Tier-und Pflanzenreich weit verbreitet. Beispielsweise ist es in Eiern, entrahmter
Milch, Käse und Gelatine in Anteilen von jeweils etwa 5,3, 4,6, 4,0 und I,40/o enthalten.
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Threonin hat die Struktur einer a-Amino-ß-oxybuttersäure und besitzt
zwei asymmetrische Kohlenstoffatome.
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Man unterscheidet beim Threonin entsprechend der Konfiguration der
Hydroxylgruppe in ß-Stellung Threo-und Allo-Reihe. Jede dieser Reihen besteht wiederum
aus der n- und L-Reihe entsprechend der Konfiguration der in a-Stellung befindlichen
Aminogruppe. Man unterscheidet also bei der a-Amino-fl-oxybuttersäure insgesamt
vier Reihen, nämlich die L-Threo-, D-Threo-, L-Allo- und r-Allo-Reihe, die entsprechend
als L-Threonin, D-Threonin, T-Allothreonin und D-Allothreonin bezeichnet werden.
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Das in der Natur vorkommende Threonin ist das L-Threonin, daß eine
große Bedeutung in der Ernährung hat. Wie von anderen Aminosäuren bekannt, besteht
auch die synthetische a-Amino-fi-oxybuttersäure häufig aus den vier Isomeren. Wenn
aus diesen das Threonin abgetrennt werden soll, muß das Produkt zerlegt oder umgewandelt
werden. Da synthetische a-Amino-oxybuttersäure im allgemeinen einen großen Anteil
des DL-Allo-Isomeren neben der DL-Threo-Verbindung enthält, ist es zur Herstellung
von Threonin zweckmäßig, die Allo-Isomere in die Ihreoverbindung umzuwandeln und
nicht das synthetische Produkt in Allo- und Threo-Reihe zu zerlegen. Die bei einem
solchen Verfahren anfallende I)L-Threo-Verbinducg vçird nach üblichen geeigneten
Trennverfahren behandeft-, um Threonin abzutrennen.
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Um eine sterische Inversion zu erreichen, kann man
Allo-a-aminoß-oxybuttersäure,
oder eine Mischung, die geringe Mengen Threo-a-amino-ß-oxybuttersäure enthält, in
Derivate der Oxazolincarbonsäure umwandeln und die Produkte dann hydrolysieren.
Zur Herstellung von Derivaten der Oxazolincarbonsäuren sind zwei Verfahren bekannt:
1. a-Amino-ß-oxybuttersäure wird z. B. zunächst mit Chlorwasserstoff und Alkohol
verestert und dann mit einem Aryl-imidoäther umgesetzt. Das Produkt wird mit Alkali
hydrolysiert (D. F. Elliott, J. Chem. Soc., 1949, S.589; a.a.O., 1950, S.62).
| NH |
| 7 |
| CH,.-CH-CH-COOH -> CH-CH-CH-COOR + Aryl - C, |
| OR |
| OH NH2 OH NH2- HX |
| Alkali |
| -? CH3-CH-CH-COOR ? CH, -CH-CH-COOH |
| O N O N |
| C C |
| Aryl Aryl |
2. a-Amino-fl-oxybuttersäure wird verestert und dann mit einem Aroylhalogenid umgesetzt,
um den entsprechenden a-Aroylamino-ß-oxybuttersäureester zu erhalten. Das Produkt
wird mit einem sauren Reaktionsmittel, wie Thionylchlorid, behandelt, um den Oxazolinring
zu bilden, und schließlich mit Alkali hydrolysiert (K. Pfister, J. Am. Chem. Soc.,
71 [1949], 5. 1101).
| Aryl-COX |
| ArylCOX |
| CH-CH-CH-COOH e CH, - CH - CH - COOR CH3-CH-CH-COOR |
| OH NH OH NH2 OH NH-CO-Aryl |
| sc,a2 |
| CH3-CH-CH-COOR > CH3-CH-CH-COOH |
| O N O N |
| C C |
| Aryl Aryl |
Es wurde nun gefunden, daß durch Umsetzung von a-Amino-ß-oxybuttersäure mit Arylnitrilen
in Gegenwart von alkalischen Kondensationsmitteln die entsprechende 2-Aryl-5-methyl-Z1
-oxazolin4-carbonsäure erhalten wird, die bei längerem Stehenlassen der Reaktionsmischung
teilweise unter Bildung von a.-Aroylamino-ß-oxybuttersäure hydrolysiert, und daß
darüber hinaus die Hydrolyse der Verfahrensprodukte nur zur Threo-a-amino-B-oxybuttersäure,
unabhängig von der sterischen Zugehörigkeit des Ausgangsmaterials, führt.
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Gemäß der Erfindung kann man das Ausgangsmaterial ohne vorherige
Veresterung verwenden, wodurch das Verfahren vereinfacht wird. Vom Stand der Technik
unterscheidet sich das Verfahren gemäß der Erfindung durch die folgenden wesentlichen
Punkte: Bei den bekannten Verfahren werden nicht nur Allo-Verbindungen, sondern
auch Threo-Verbindungen durch die Verwendung von sauren Kondensationsmitteln invertiert,
und durch den Gehalt geringer Mengen der Threo-Verbindungen im Ausgangsmaterial
wird das Endprodukt mit geringen Mengen der Allo-Verbindungen verunreinigt. Um die
reinen Threoverbindungen zu erhalten, müssen die Endprodukte über Natriumsalze gereinigt
werden (K. Pfister et al, J. Am. Chem. Soc., 71 [1949], 5. 1101).
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Da gemäß der Erfindung nur Allo-Verbindungen invertiert werden, enthält
das Produkt auch nur Threo-Verbindungen, auch wenn das Ausgangsmaterial Threo-Verbindungen
enthält.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist eine Hydrolyse nicht notwendig.
Bei Entfernung des Alkalis durch Ionenaustauscher wird direkt freie 2-Aryl-5-methyliI-oxazolin4-carbonsäure
erhalten. Wie vorstehend bereits erwähnt, wird erfindungsgemäß die a-Aminoß-oxybuttersäure
mit Arylnitrilen in Gegenwart alkalischer Kondensationsmittel umgesetzt. Geeignete
alkalische Kondensationsmittel sind z. B. Alkalimetallalkoholate. Geeignete Arylnitrile
sind z. B. Benzonitril und Tolunitril. Die Umsetzung wird im allgemeinen in einem
niederen aliphatischen Alkohol durchgeführt. Man kann jedoch auch mit anderen geeigneten
Lösungsmitteln arbeiten. Läßt man die Reaktionsmischung bei Zimmertemperatur mehrere
Tage stehen, geht die Umsetzung unter Bildung des entsprechenden Qxazolincarbonsäurederivates
weiter. Läßt man die Reaktionsmischung noch länger stehen, dann scheint jedoch der
Oxazolinring
durch die Alkalität der Reaktionsmischung unter Bildung von a-Aroylamino-ß-oxybuttersäure
aufgespalten zu werden. Man kann jedoch eine wesentliche Bildung des Oxazolincarbonsäurederivates
nicht immer feststellen, der Reaktionsmechanismus des erfindungsgemäßen Verfahrens
kann daher als noch nicht vollständig geklärt angesehen werden. Man erhält als Produkt
jeweils in Abhängigkeit von den Reaktionsbedingungen entweder das reine Oxazoliucarbonsäurederivat
oder die a-Aroylamino-ß-oxybuttersäure oder eine Mischung beider Verbindungen. Diese
Produkte und auch die Mischung werden dann durch Säurehydrolyse in Threonin, wie
nachstehend beschrieben, umgewandelt. Die Art der Zwischenprodukte und der Reaktionsverlauf
sind daher für den Gegenstand der Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Durch
Erhitzen kann die Reaktionszeit verkürzt werden, jedoch sind allgemein keine energischen
Reaktionsbedingungen erforderlich.
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Das Derivat der Oxazolincarbonsäure bzw. die a-Aroylamino-ß-oxybuttersäure
oder deren Mischung fallen als alkalische wäßrige Lösungen nach Abdestillieren des
Lösungsmittels an. Der Rückstand wird mit Wasser verdünnt und das nicht umgesetzte
Nitril zurückgewonnen. Bei Behandlung der alkalischen Lösungen mit einem geeigneten
schwach sauren Ionenaustauscher, wie dem unter der Handelsbezeichnung AMBERLIT-IRC-50
bekannten ionenaustauschenden Harz zum Entfernen des Alkalis, wird das Derivat der
Oxazolincarbonsäure oder die a-Aroylamino-,8-oxybuttersäure oder deren Mischung,
die schwachamphotere Elektrolyten sind, in wäßriger Lösung erhalten. Durch Konzentration
der wäßrigen Lösungen erhält man leicht Kristalle des Derivates der 2-Aryl-5-methyl-d
2-oxazolin-4-carbonsäure.
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Wenn die Lösung a-Aroylamino4-oxybuttersäure enthält, kann diese durch
Schütteln der Lösung mit Äthylacetat, Butanol od. dgl. abgetrennt werden. Das so
erhaltene Oxazolincarbonsäurederivat und die a-Aroylamino-B-oxybuttersäure werden
durch Säurehydrolyse leicht in Threonin (Threo-a-amino-ß-oxybuttersäure) umgewandelt.
Wenn erforderlich, können das Oxazolincarbonsäurederivat und die a-Aroylamino-ß-oxybuttersäure
nach Hydrolyse mit Hilfe einer optisch aktiven Base oder Säure in an sich bekannter
Weise in die optisch aktiven Komponenten umgewandelt werden.
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Der Reaktionsverlauf gemäß der Erfindung wird durch das nachfolgende
Schema erläutert:
| CH3 CH CH3 CH3 |
| H C O H H CO HO HOCH Säure HOCH |
| * AnS'1--CN *1 \Aryl -5- CH Säure 1 |
| HCNH2 HC-N HCNHCO-Aryl HCNH2 |
| COOH COOH COOH COOH |
| (Allo) (Threo) |
Beispiel 1 Zu einer Lösung von aus 6,9 g (0,3 Mol) metallischem
Natrium und 150 ccm Methanol hergestelltem Natriummethylat werden 35,7g (0,3 Mol)
DL-Allo-a-amino-j3-oxybuttersäure mit einem geringen Gehalt an Isomeren der Threoreihe
und 61,8 g (0,6 Mol) Benzonitril gegeben.
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Die Masse wird mehrere Tage bei Zimmertemperatur stehengelassen. Die
Reaktionsmischung wird dann mit Wasser verdünnt und das nicht umgesetzte Benzonitril
durch Schütteln mit Benzol entfernt. Die wäßrige Lösung wird durch eine Schicht
eines ionenaustauschenden Harzes zum Abtrennen des Alkalis hindurchgeführt und anschließend
konzentriert. Man erhält 25 g 2-Phenyl-5-methyl-S 2-oxazolin-4-carbonsäure.
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Zu 10 g der vorstehend erhaltenen 2-Phenyl-5-methyl-X2-oxazolin-4-carbonsäure
werden 100 ccm 150/0ige Salzsäure gegeben und die Mischung 10 Stunden auf dem Wasserbad
erhitzt. Nach Kühlung wird die abgetrennte Benzoesäure abfiltriert und das Filtrat
anschließend durch eine ionenaustauschende Schicht durchgetührt, um die Säure zu
entfernen. Nach Konzentrieren werden 4,2 g DL-Threonin erhalten.
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Beispiel 2 Zu einer Lösung von aus 6,9 g metallischem Natrium und
200 ccm Äthanol hergestelltem Natrinmäthylat werden 35,7 g DL-Allo-a-amino-,8-oxybuttersäure
und 70,2 g p-Tolunitril gegeben. Die Mischung wird wie im Beispiel 1 behandelt.
Man erhält 24,6 g2-p-Tolyl-5-methyld -oxazolin-4-carbonsäure, die analog Beispiel
1 verseift werden.
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Beispiel 3 Zu einer Lösung von aus 6,9 g metallischem Natrium und
150 ccm Methanol hergestelltem Natriummethylat
werden 35,7 g DL-Allo-a-amino-B-oxybuttersäure
und 61,8 g Benzonitril gegeben. Die Masse wird 9 Tage bei Zimmertemperatur stehengelassen.
Das Lösungsmittel wird abdestilliert und der Rückstand weitere 7 Tage stehengelassen.
Die Reaktionsmischung wird mit Wasser verdünnt und das nicht umgesetzte Benzonitril
mit Benzol aufgenommen. Die wäßrige Lösung wird durch eine Schicht eines ionenaustauschenden
Harzes zum Abtrennen des Alkalis hindurchgeführt und anschließend zur Trockne eingedampft.
Der Rückstand wird aus Äthylacetat umkristallisiert und ergibt 19,5 g DL-N-Benzoylthreonin.
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Zu 32,5 g nL-N-Benzoylthreonin, wie vorstehend erhalten, wird verdünnte
Schwefelsäure aus 5 g konzentrierter Schwefelsäure und 100 ccm Wasser zugesetzt
und die Mischung 8 Stunden auf dem Wasserbad erhitzt.
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Nach Kühlen wird die abgeschiedene Benzoesäure abfiltriert und das
Filtrat mit Benzol zur vollständigen Entfernung der Benzoesäure geschüttelt. Die
wäßrige Lösung wird mit Bariumhydroxydlösung zur Entfernung der Schwefelsäureionen
neutralisiert, mit Entfärbungskohle behandelt und konzentriert. Es werden 10 g DL-Threonin
in Form farbloser Kügelchen erhalten.
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PATEN IWANSPPICCHE 1. Verfahren zur sterischen Umwandlung von Allothreonin
in Threonin, dadurch gekennzeichnet, daß man Allothreonin mit Arvlnitrilen, vorzugsweise
Benzonitril, in Gegenwart von alkalischen Kondensationsmitteln, vorzugsweise Alkalialkoholaten,
umsetzt und das Produkt einer sauren Hydrolyse unterwirft.