DE19506728A1 - Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von (R)-PantolactonInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung von (R)-Pantolacton.
(R)-(-)Pantolacton ist ein wichtiges Zwischenprodukt bei
der Synthese von (R)-(+)Pantothensäure oder deren
Derivaten. (R)-(-)Pantolacton kann aus der racemischen
Verbindung durch aufwendige Racematspaltungsverfahren in
Form von Pantoinsäuresalzen mit chiralen Hilfsbasen und
anschließender Spaltung der diastereomeren Salzpaare und
Cyclisierung der Pantoinsäure zum Pantolacton erhalten
werden (US-PS 3,884,966; DE 24 04 305; DE 25 58 508;
US-PS 4,095,952). Das unerwünschte (S)-(+)Pantolacton muß,
um einen wirtschaftlichen Prozeß zu erhalten, racemisiert
werden und als (R,S)-Pantolacton erneut zur Racematspaltung
eingesetzt werden.
In anderen Verfahren (Tetrahedron Lett. (50), 4431-2,
1977; JP 53-105421 (1978); EP 218 970; EP 320 096) wird
durch enantioselektive katalytische Hydrierung, ausgehend
vom Ketopantolacton, direkt das erwünschte
(R)-(-)Pantolacton erhalten. Ketopantolacton ist aber
schwer zugänglich bzw. wird in einer weiteren
Reaktionsstufe aus (RS)-Pantolacton durch Oxidation
hergestellt, so daß hier eine aufwendige Verfahrensweise
vorliegt.
Aus JP 2-100692 (1990), JP 61-293386 (1986), JP 59-98695
(1984) und Angew. Chemie 100, 1988, 640 sind mikrobielle
Verfahren bekannt, bei denen mit lebenden Bakterien- oder
Pilzzellen eine enantioselektive Reduktion von
Ketopantolacton erreicht wird. Auch hier muß das
Ketopantolacton, wie oben beschrieben, durch Oxidation
hergestellt werden.
Aus CA Vol. 111, 1989: 132610u ist ein Verfahren zur
Herstellung des racemischen Pantolactons bekannt, bei dem
das racemische 2,4-Dihydroxy-3,3-dimethylbutansäurenitril
über drei Stufen enzymatisch umgesetzt wird. Das racemische
Pantolacton muß, wie eingangs beschrieben, vor der
Umsetzung zur Pantothensäure in die einzelnen Enantiomere
aufgetrennt werden.
W. Becker und E. Pfeil beschreiben in Biochemische
Zeitschrift 346, 301-321 (1966) verschiedene Reaktionen
der (R)-Oxynitrilase, wobei u. a. kinetische Studien
durchgeführt wurden. Das Enzym bildet aus einer Vielzahl
von Aldehyden rechtsdrehende, linksdrehende oder racemische
α-Hydroxynitrile, wobei im Normalfall auf 10 mmol Aldehyd
1 mmol Enzym eingesetzt wird. Bei zunächst nicht
umgesetzten Aldehyden kann die Enzymmenge auf 5 mg erhöht
werden.
Aus der DE-OS 38 23 866 ist ein Verfahren zur Herstellung
von S-Cyanhydrinen durch Umsetzung der entsprechenden
Oxoverbindungen und Blausäure mit Hilfe von Oxynitrilase
(4.1.2.11) aus Sorghum bicolor bekannt. Mit Hilfe dieser
Oxynitrilase lassen sich die entsprechenden optischen
Antipoden zur Umsetzung mit Oxynitrilase 4.1.2.10
darstellen.
Schließlich ist aus der EP-A 0 528 256 ein Verfahren zur
Herstellung von (R)-Pantolacton bekannt, bei dem
Hydroxypivalaldehyd mit Cyanwasserstoff in einem wäßrigen
Medium in Gegenwart einer stark erhöhten
(R)-Oxynitrilasekonzentration umgesetzt wird, das
resultierende (R)-2,4-Dihydroxy-3,3-
dimethylbutansäurenitril (Cyanhydrin) aus der wäßrigen
Lösung mit einem organischen Lösungsmittel extrahiert und
weiter isoliert wird und das erhaltene Cyanhydrin unter
gleichzeitiger Zyklisierung zum (R)-Pantolacton verseift
wird. Bei dem bekannten Verfahren gelingt die Herstellung
des (R)-Pantolactons zwar in hoher Ausbeute, der
Enantiomerenüberschuß sowohl des als Zwischenprodukt
auftretenden Cyanhydrins als auch des Endprodukts ist
jedoch noch nicht befriedigend.
Angesichts des hierin dargelegten und diskutierten Standes
der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein weiteres
Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton
bereitzustellen, das dessen Gewinnung sowohl in hoher
Ausbeute als auch hoher optischen Reinheit gestattet.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur
Herstellung von (R)-Pantolacton durch Umsetzung von
β-substituierten Pivalaldehyden der allgemeinen Formel I
worin
X für Hal, OR,
X für Hal, OR,
steht, wobei
R C₁-C₄-Alkyl, -Alkenyl oder -Alkinyl, Aryl oder Aralkyl bedeutet und die Alkylreste jeweils verzweigt oder linear sein können,
mit Cyanwasserstoff in einem wäßrigen Medium oder in einem zumindest Spuren von Wasser aufweisenden organischen Lösungsmittel in Gegenwart von die Addition des Cyanwasserstoffs an den β-substituierten Pivalaldehyd der Formel I katalysierenden Mengen (R)-Oxynitrilase [EC 4.1.2.10] zu
(R)-Cyanhydrinen der allgemeinen Formel II
R C₁-C₄-Alkyl, -Alkenyl oder -Alkinyl, Aryl oder Aralkyl bedeutet und die Alkylreste jeweils verzweigt oder linear sein können,
mit Cyanwasserstoff in einem wäßrigen Medium oder in einem zumindest Spuren von Wasser aufweisenden organischen Lösungsmittel in Gegenwart von die Addition des Cyanwasserstoffs an den β-substituierten Pivalaldehyd der Formel I katalysierenden Mengen (R)-Oxynitrilase [EC 4.1.2.10] zu
(R)-Cyanhydrinen der allgemeinen Formel II
worin X die bei Formel I angegebene Bedeutung besitzt,
und anschließende Verseifung des resultierenden Cyanhydrins im sauren Milieu unter Zyklisierung zum (R)-Pantolacton.
und anschließende Verseifung des resultierenden Cyanhydrins im sauren Milieu unter Zyklisierung zum (R)-Pantolacton.
Dabei hat sich im Rahmen der Erfindung überraschenderweise
herausgestellt, daß die zur Addition der Blausäure an den
β-substituierten Pivalaldehyd als Katalysator verwendete
(R)-Oxynitrilase [EC 4.1.2.10] auch andere Substrate
akzeptiert als den gemäß dem Stand der Technik
ausschließlich verwendeten Hydroxypivalaldehyd. Ferner ist
es nicht ohne weiteres vorhersehbar gewesen, daß die
(R)-Oxynitrilase diese anderen Substrate nicht nur
akzeptiert, sondern daß es bei Umsetzung der
erfindungsgemäßen Verbindungen der Formel I außerdem zu
einer deutlichen Erhöhung der optischen Reinheit der als
Zwischenprodukt der (R)-Pantolactonsynthese entstehenden
Cyanhydrinverbindungen der allgemeinen Formel II kommt, und
zwar bezogen auf (R)-2,4-Dihydroxy-3,3-
dimethylbutansäurenitril als Referenzsubstanz (X in
Formel II wäre OH).
Unter sonst vergleichbaren Reaktionsbedingungen zeigen die
aus den halogenierten oder O-geschützten Aldehyden der
allgemeinen Formel I erhältlichen (R)-Cyanhydrine einen
Enantiomerenüberschuß von bis zu 96%, während der freie
Hydroxypivalaldehyd optische Ausbeuten von nur 60-61%
ergibt.
Zwar ist unter bestimmten Bedingungen bei Einsatz des
Hydroxypivalaldehyds (z. B. gemäß der EP-A 0 528 256) das
entsprechende Blausäureadditionsprodukt auch in optischen
Reinheiten (R : S) von bis zu 90 : 10 möglich, unter
jeweils identischen Bedingungen jedoch (betreffend vor
allem Reinheit der eingesetzten Oxynitrilase, Konzentration
der Reaktionspartner, Temperatur der Umsetzung,
Lösungsmittel und Reaktionszeiten) wird die
Enantiomerenausbeute, welche bei Verwendung des
Hydroxypivalaldehyds resultiert, klar durch die
Enantiomerenausbeute übertroffen, welche sich bei
Verwendung β-halogenierter oder β-O-geschützter
Pivalaldehyde ergibt.
Es ist zwar bekannt, daß Hydroxypivalaldehyd bei
Raumtemperatur als kristallines Dimer existiert (King et
al., J. Am. Chem. Soc. 1953, 75, 1290-1292 und Nerdel et
al., Chem. Ber. 1968, 101, 1850-1862), welches durch
Erhitzen in das Monomer überführt werden kann, so daß die
enzymkatalysierte HCN-Anlagerung nur mit frisch
destilliertem oder geschmolzenem Hydroxypivalaldehyd
verläuft, der Schutz oder die Substitution der OH-Funktion
kann aber nicht die ausschließlich ausschlaggebende Ursache
für die höhere optische Reinheit der erfindungsgemäßen
Zwischenprodukte der Formel II sein.
Vielmehr ist der in der Erfindung vorliegende
Substrateinfluß auf das Enzym relativ unerwartet.
Einerseits liefern die O-geschützten Pivalaldehyde
durchgängig bessere Enantiomerenausbeuten als der freie
Hydroxypivalaldehyd, andererseits sind aber die
Unterschiede innerhalb der "geschützten" Verbindungen
relativ groß. So liefert die Acetylverbindung, die ja nicht
dimerisieren kann und daher als Monomer vorliegen muß,
wesentlich schlechtere Enantiomerenausbeuten als z. B. die
Methoxyverbindung.
Die sich beim erfindungsgemäßen Verfahren an die Stufe der
Darstellung der (R)-Cyanhydrine der allgemeinen Formel II
anschließende Verseifung dieser Verbindungen hat in der
Regel die Gewinnung des (R)-Pantolactons zum Ziel.
Die Verseifung von (R)-2,4-Dihydroxy-3,3-
dimethylbutansäurenitril führt bekanntermaßen über die
Zwischenstufe des entsprechenden Amids. Ebenso wie beim aus
der EP-A 0 528 256 bekannten Verfahren ist auch beim
vorliegenden Verfahren die saure Hydrolyse bevorzugt, da
unter alkalischen Bedingungen die Gefahr der Zersetzung des
Nitrils besteht.
Dabei ist es als äußerst überraschend zu bezeichnen, daß
bei Verwendung von Mineralsäuren, wie Schwefelsäure oder
bevorzugt Salzsäure, eine direkte Zyklisierung der
Cyanhydrine der allgemeinen Formel II, bevorzugt ohne
vorherige Isolierung und Reinigung dieser Verbindungen,
erreicht werden kann. Wenn auch die Zyklisierung von
γ-Hydroxycarbonsäuren zu Lactonen im sauren Milieu bekannt
ist, so ist die Zyklisierung von O-geschützten Derivaten
oder γ-Halogencarbonsäuren zu Lactonen doch einigermaßen
unerwartet, da hier zuerst eine Spaltung in die Hydroxyform
oder besondere Übergangszustände erwartet werden müßten.
Außerdem werden γ-Halogencarbonsäuren üblicherweise eher
aus Lactonen und Säuren (z. B. HCl) hergestellt und nicht
umgekehrt.
Gemäß der Erfindung sind grundsätzlich eine Vielzahl von
β-Halogen-Substitution tragenden Pivalaldehyden als auch
alle O-geschützten Hydroxypivalaldehydderivate erfolgreich
ein- und umsetzbar. Aufgrund ihrer besonders hohen
Enantiomerenausbeute werden jedoch mit besonderem Vorteil
Verbindungen der Formel I umgesetzt, worin X für Halogen
oder OR steht, wobei R = C₁-C₄-Alkyl oder -Alkenyl ist.
Ganz besonders gute Ergebnisse werden mit Verbindungen der
Formel I erzielt, worin X = Cl, Br oder OR ist, wobei R für
CH₃, C₂H₅ oder CH₂-CH = CH₂ steht.
Die erfindungsgemäß als Zwischenprodukt bei der
(R)-Pantolactonherstellung erhaltenen (R)-Cyanhydrine der
allgemeinen Formel II sind, wie bereits ausgeführt, durch
Umsetzung von β-substituierten Pivalaldehyden der
allgemeinen Formel I mit Cyanwasserstoff in Gegenwart einer
(R)-Oxynitrilase erhältlich.
Eine geeignete (R)-Oxynitrilase ist Oxynitrilase EC
4.1.2.10.
Die Umsetzung wird im allgemeinen in einem wäßrigen Medium
oder in einem zumindestens Spuren von Wasser aufweisenden
organischen Lösungsmittel durchgeführt. Im Rahmen der
Erfindung ist es dabei besonders bevorzugt, daß man die
Umsetzung der β-substituierten Pivalaldehyde der
allgemeinen Formel I mit Cyanwasserstoff gemäß der
letztgenannten Alternative, also in einem organischen
Lösungsmittel, daß zumindest Spuren von Wasser aufweist,
vornimmt.
Die hierfür als organisches Lösungsmittel in Frage
kommenden Stoffe sind dem Fachmann auf dem Gebiet der
Enzymtechnologie grundsätzlich bekannt. Zu mit Vorteil
einsetzbaren organischen Lösungsmitteln gehören
u. a. THF, Diisopropylether, Methyl-t-butylether,
Ethylacetat.
Besonders bevorzugt kennzeichnet sich das Verfahren gemäß
der Erfindung dadurch, daß man als Lösungsmittel einen
Ether, vorteilhafterweise Diisopropylether, einsetzt. Aber
auch die anderen o. g. Lösungsmittel führen zu guten
Erfolgen.
Im Rahmen der Erfindung wird unter einem organischen
Lösungsmittel, das zumindest Spuren von Wasser aufweist,
verstanden, daß der Wassergehalt des organischen
Lösungsmittels zumindest hoch genug ist, um die enzymatisch
katalysierte Reaktion ablaufen zu lassen. Hierfür sind
bezüglich der unterschiedlichen möglichen Lösungsmittel
verschiedene unterschiedliche Mindestwassergehalte
anzunehmen, die der Fachmann aufgrund routinemäßiger
Untersuchungen ermitteln kann. Beispielhaft kann im Rahmen
der Erfindung für das besonders vorteilhaft eingesetzte
Lösungsmittel Diisopropylether festgestellt werden, daß
dessen Wassergehalt zumindest bei 0,1% liegen muß, um den
Erfolg des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zu gefährden.
Die Konzentration der zur Herstellung der Pantolactone
eingesetzten β-substituierten Pivalaldehyde der allgemeinen
Formel I ist im allgemeinen nicht besonders kritisch. Die
β-substituierten Pivalaldehyde werden üblicherweise in
einer Konzentration von ca. 10 bis 300 mmol/l, vorzugsweise
20 bis 150 mmol/l und besonders bevorzugt von ca. 30 bis
50 mmol/l organisches Lösungsmittel eingesetzt. Dabei sind
durchaus auch höhere Konzentrationen, z. B. im Bereich bis
zu ca. 1 mol/l β-substituierter Pivalaldehyde umsetzbar,
ohne vom Prinzip der Erfindung abzuweichen, es hat sich
jedoch gezeigt, daß mit steigender Konzentration der
β-substituierten Pivalaldehyde der allgemeinen Formel I die
chemische und optische Ausbeute der (R)-Cyanhydrine der
allgemeinen Formel II sinkt. Dies macht sich besonders in
Bereichen oberhalb von 0,4 bis 0,5 mol β-substituiertem
Pivalaldehyd pro Liter organisches Lösungsmittel bemerkbar.
Der Cyanwasserstoff wird beim Verfahren gemäß der Erfindung
in einer zum Hydroxypivalaldehyd vorzugsweise mindestens
äquimolaren Menge eingesetzt. Üblicherweise wird mit einem
Cyanwasserstoffüberschuß von bis zu 30 Äquivalenten
gearbeitet. In einer besonderen Verfahrensvariante
kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, daß man mit einem
2- bis 5-fachen molaren Überschuß, mit besonderem Vorteil
mit einem 2- bis 3-fachen molaren Überschuß, HCN, bezogen
auf den β-substituierten Aldehyd der allgemeinen Formel I,
umsetzt. Wiederum hat der besonders vorteilhafte Bereich
zwischen 2- und 5-fachem molaren Überschuß HCN bezogen auf
den β-substituierten Pivalaldehyd den Vorteil des im
allgemeinen höchsten Enantiomerenüberschusses.
Der Cyanwasserstoff kann dem Reaktionsansatz auf alle dem
Fachmann geläufigen Arten und Weisen zu gefügt werden.
Möglich sind seine Zugabe als Reinsubstanz oder in wäßriger
Lösung oder aber auch in Form einer Pufferlösung.
Die (R)-Oxynitrilase läßt sich bei einem Verfahren gemäß
der Erfindung über einen weiten Konzentrationsbereich
vorteilhaft einsetzen. So kann man die HCN-Anlagerung
bereits bei (R)-Oxynitrilase-Konzentrationen von ca.
100 U/mmol β-substituiertem Pivalaldehyd durchführen.
Bereiche bis weit über 2000 U/mmol β-substituiertem
Pivalaldehyd sind erfindungsgemäß möglich und je nach
umzusetzendem Substrat auch bevorzugt. Um zu einem
befriedigenden Ergebnis zu gelangen, kann die spezifische
Aktivität der in den folgenden Mengen eingesetzten
(R)-Oxynitrilase über einen weiten Bereich variieren. So
kann man bereits mit spezifischen Aktivitäten, die bei ca.
30 U/mg liegen, Enantiomerenüberschüsse bei Verbindungen
der Formel II erzielen, die bei 83% Enantiomerenüberschuß
und darüber liegen, wobei die Ausbeute an (R)-Cyanhydrinen
der allgemeinen Formel II auch schon bei 60% und mehr
liegt. Mit zunehmender spezifischer Aktivität der
eingesetzten (R)-Oxynitrilase verbessern sich jedoch sowohl
die chemische als auch die optische Ausbeute an
Verbindungen gemäß der allgemeinen Formel II. So haben sich
als besonders brauchbar diejenigen (R)-Oxynitrilasen
erwiesen, von denen ein mg ca. 100 Units oder mehr
entspricht, wobei ein Unit des Enzyms 1,0 µmol
Mandelsäurenitril zu Benzaldehyd und Cyanwasserstoff bei
einem pH von 5,4 und 25°C pro Minute umsetzt.
Um also eine möglichst hohe chemische als auch optische
Ausbeute zu erzielen, ist es im allgemeinen von besonderem
Vorteil, ein möglichst reines Enzym einzusetzen. Allerdings
gibt es in Abhängigkeit der verschiedenen β-substituierten
Pivalaldehyde durchaus Grenzen, bei denen eine weitere
Steigerung der spezifischen Aktivität genauso wenig zu
einer erhöhten optischen oder chemischen Reinheit führt wie
etwa eine Steigerung der absoluten Menge an eingesetztem
Enzym.
Die (R)-Oxynitrilase kann im erfindungsgemäßen Verfahren
mobil oder immobilisiert eingesetzt werden. In
vorteilhafter Verfahrensvariante wird das Enzym auf einem
Träger immobilisiert. Als Trägermaterialien sind alle dem
Fachmann auf dem Gebiet der Enzymtechnologie geläufigen
Trägermaterialien verwendbar. Hierzu gehören u. a.
Cellulosepulver, Polystyrole, Polyacetale. Von diesen
aufgezählten Materialien werden erfindungsgemäß ganz
besonders vorteilhaft Cellulose oder Kieselgur eingesetzt.
Wie bereits erwähnt, kann die Menge der erfindungsgemäß
einzusetzenden (R)-Oxynitrilase über einen weiten Bereich
variieren. Dabei ist neben dem Bereich einer relativ
geringen Enzymkonzentration auch eine Anwendung stark
erhöhter Enzymkonzentrationen von mindestens 20 mg/mol β-
substituiertem Pivalaldehyd bevorzugt. Dies steht auch im
Einklang mit den Ergebnissen, wie sie in der EP-A 0 528 256
berichtet werden. In besonders bevorzugter
erfindungsgemäßer Ausführungsform werden die β-
substituierten Pivalaldehyde in Gegenwart von ca. 1800 bis
3000 Units (R)-Oxynitrilase je mmol β-substituiertem
Pivalaldehyd umgesetzt, wobei die (R)-Oxynitrilase, welche
verwendet wird, möglichst rein sein soll, d. h. eine
bestimmte spezifische Aktivität nicht unterschreiten soll.
In weiterhin bevorzugter Ausführungsform ist demnach das
Verfahren der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die
Umsetzung in Gegenwart einer hochgereinigten
(R)-Oxynitrilase mit einer spezifischen Aktivität von
zwischen 50 und 150 U/mg (R)-Oxynitrilase umgesetzt wird.
Die Cyanhydrinbildung wird gemäß der Erfindung vorzugsweise
bei Temperaturen durchgeführt, bei denen die
(R)-Oxynitrilase eine hohe Aktivität aufweist. Dies ist
insbesondere der Temperaturbereich von 0 bis 50°C,
vorteilhaft sind 20 bis 30°C. Der pH-Wert der
Reaktionslösung kann über einen weiten Bereich differieren.
Es ist jedoch bevorzugt, daß die Umsetzung der Verbindungen
der Formel I mit Cyanwasserstoff in Gegenwart eines
Puffers, der den pH-Wert im Bereich zwischen 2,8 und 8
hält, durchgeführt wird.
Hierzu kann dem Reaktionsansatz im allgemeinen eine wäßrige
Pufferlösung, beispielsweise ein Zitronensäure- oder
Acetatpuffer, zugesetzt werden. Die Konzentration des
Puffers beträgt üblicherweise 0,01 bis 0,5 mol/l,
vorzugsweise 0,03 bis 0,2 mol/l, wobei der pH-Wert der
Pufferlösung durch Alkali- oder Erdalkalihydroxid oder
durch Ammoniumverbindungen eingestellt werden kann. Weitere
verwendbare Puffer sind u. a. Phosphat-, Borat-,
Phthalatpuffer oder Gemische dieser Pufferlösungen mit
Acetat- oder Zitronensäurepuffern.
Falls zur Durchführung der erfindungsgemäßen Reaktion ein
immobilisiertes Enzym eingesetzt wird, ist es bevorzugt,
daß die Trägermaterialien in einer wäßrigen Lösung eines
Puffers, bevorzugt eines Natriumacetatpuffers auf einen
bestimmten pH eingestellt werden. Das dann hiermit
immobilisierte Enzym wird besonders erfolgreich zur
Katalyse der Cyanhydrinbildung gemäß der Erfindung
eingesetzt. Der pH-Wert der entweder direkt oder mittels
des entsprechend behandelten Trägers (gepufferte Lösung)
eingestellt wird, kann, wie bereits erwähnt, zwischen 2,8
und 8,0 liegen, bevorzugt sind saure Reaktionslösungen mit
einem pH von 2,8 bis etwa 5,4, dem pH-Optimum der
(R)-Oxynitrilase. Besonders bevorzugt wird der pH-Wert in
einer erfindungsgemäßen Ausführungsform zwischen 2,8 und
3,5 gehalten. Dabei ist dieser pH-Wert deutlich
unterschiedlich vom pH-Optimum der (R)-Oxynitrilase,
welches bei 5,4 liegt. Der besonders bevorzugte
pH-Wertbereich zwischen 2,8 und 3,5 wird weiterhin
vorteilhaft mit einem Acetatpuffer eingestellt.
Zur Isolierung und Reinigung der (R)-Cyanhydrine der
allgemeinen Formel II wird die Reaktionslösung nach einer
Reaktionszeit von üblicherweise 30 min bis zu 24 h mit
einem mit Wasser nicht vollständig mischbaren organischen
Lösungsmittel, z. B. Essigsäurester, Dialkylether, Ketonen
wie Isobutylmethylketon (MiBK), oder
Chlorkohlenwasserstoffen extrahiert. Zur Stabilisierung des
Cyanhydrins wird dann zum organischen Extrakt eine kleine
Menge an Salzsäure zugesetzt (ca. 10 bis 50 µmol/ml
Cyanhydrin). Die organischen Extrakte werden vereinigt und
im Vakuum eingeengt. Die Lösungsmittelreste können dabei
durch Behandeln im Feinvakuum nahezu vollständig entfernt
werden. Das so erhaltene Cyanhydrin kann nach
Derivatisierung auf seine Enantiomeren-Zusammensetzung
untersucht werden.
Überraschenderweise können die so gebildeten
(R)-Cyanhydrine der allgemeinen Formel II unter
weitgehendem Erhalt der Chiralität in hohen
Enantiomerenüberschüssen zum (R)-Pantolaton verseift
werden, wobei letzteres als Zwischenverbindung für das
Vitamin Pantothensäure oder deren Derivate, z. B.
Panthenol, dient. Hierzu wird der Cyanhydrinextrakt mit
wenig Wasser aufgenommen und in konzentrierte Mineralsäure
eingegossen. Die Verseifung erfolgt vorteilhaft in einem
wäßrigen Medium und insbesondere in einem sauren Milieu.
Unter alkalischen Bedingungen besteht die Gefahr der
Zersetzung des Nitrils. Die Umsetzung der Cyanhydrine der
allgemeinen Formel II zum (R)-Pantolacton wird vorteilhaft
bei einer erhöhten Temperatur von ca. 50°C bis zur
Siedehitze durchgeführt. Als Mineralsäure kommt
beispielsweise Schwefelsäure oder konzentrierte
Salzsäurelösung in Betracht. In besonders bevorzugter
erfindungsgemäßer Ausführungsform wird die Verseifung des
Cyanhydrins in konzentrierter HCl unter Erhalt von
(R)-Pantolacton durchgeführt. Nach einer Reaktionszeit von
üblicherweise 1 bis 5 h kann die Lösung mit einem
geeigneten organischen Lösungsmittel, das nicht vollständig
mit Wasser mischbar sein soll, extrahiert werden. Hierfür
können beispielsweise Essigsäureester, Dialkylether,
aliphatische oder aromatische Kohlenwasserstoffe, Ketone
wie Isobutylmethylketon oder Halogenkohlenwasserstoffe
verwendet werden. Die vereinigten organischen Phasen werden
im Vakuum eingeengt, im Rückstand ist das optisch aktive
(R)-Pantolacton als Rohprodukt. Dabei weist das rohe
(R)-Pantolacton bereits einen hohen Enantiomerenüberschuß
auf, der auf die ohne jegliche Racemisierung verlaufende
säurekatalysierte Umsetzung der erfindungsgemäßen
Cyanhydrine der allgemeinen Formel II zurückzuführen sein
dürfte. Sowohl die chemische als auch die optische Reinheit
können noch weiter gesteigert werden, beispielsweise durch
Kristallisation des erhaltenen Rohprodukts aus
Diethylether/Petroleumether-Gemisch, wobei in allen Fällen
hohe optische Reinheiten herstellbar waren, selbst dann,
wenn die als Ausgangssubstanz eingesetzten Cyanhydrine
einen vergleichsweise niedrigen Enantiomerenüberschuß
aufwiesen.
Sowohl das (R)-Pantolacton als Rohprodukt als auch das
(R)-Pantolacton in seiner aufgereinigten Form kann mit
β-Alanin zur (R)-Pantothensäure in wasserfreiem
Lösungsmittel, z. B. Methanol, umgesetzt werden (JACS, 62
(1940) 1785). (R)-(+)Panthenol wird entsprechend mit zwei
Aminoethanol dargestellt.
Mit der Erfindung wird also ein Verfahren zur Herstellung
von (R)-Pantolacton bzw. Folgeprodukten zur Verfügung
gestellt, welches die Herstellung des angestrebten Produkts
in hoher Ausbeute sowie in höchster optischer Reinheit
gestattet. Dabei können die als Zwischenprodukt
auftretenden (R)-Cyanhydrine der allgemeinen Formel II
entweder isoliert werden und dann erst verseift werden, es
kann aber auch in besonders bevorzugter erfindungsgemäßer
Ausführungsform die Verseifung ohne Zwischenisolierung der
Cyanhydrine der allgemeinen Formel II durchgeführt werden.
Wenn diese Produkte jedoch isoliert werden, so handelt es
sich in einigen Fällen um neue Produkte, die besonders
wertvoll für die Herstellung von (R)-Pantolacton sind. Im
einzelnen gehören zu diesen neuen Produkten
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-brom-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-chlor-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-methoxy, (R) (-)-2-Hydroxy- 3,3-dimethyl-4-ethoxy, (R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4- acetyl.
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-brom-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-chlor-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-methoxy, (R) (-)-2-Hydroxy- 3,3-dimethyl-4-ethoxy, (R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4- acetyl.
Die Herstellung der als Ausgangsprodukt in der Erfindung
eingesetzten β-substituierten Pivalaldehyde ist
literaturbekannt. Wertvolle Hinweise zur Herstellung
O-geschützter (O-substituierter) Pivalaldehyde erhält man
beispielsweise in Eliel, E. L.; Clawson, L.; Knox, D. E.,
J. Org. Chem. (1985), 50, 2707-2711. Halogensubstituierte
Pivalaldehyde sind z. B. durch Oxidation der entsprechenden
Propanole gemäß Pennings, M. L. M.; Reinhoudt, D. N., J.
Org. Chem. (1983), 48, 4043-4048 oder Hepburn, D. R.,
Hudson, H. R., J. Chem. Soc., Perkin Trans 1 (1976),
754-757 zugänglich.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen weitergehend erläutert.
Zur Herstellung der β-substituierten Pivalaldehyde 2, 3, 4
und 5 wurde 2,2-Dimethyl-1,3-propandiol (Fluka) mit CH₃J,
C₂H₅Br, CH₂=CH-CH₂-Br oder C₆H₅CH₂Br in den jeweiligen
einfach geschützten entsprechenden Alkohol überführt und
dieser durch Oxidation mit Pyridiniumchlorochromat in den
O-geschützten Pivalaldehyd. Hierzu wurde gemäß Eliel,
E. L.; Clawson, L.; Knox, D. E., J. Org. Chem. (1985), 50,
2707-2711 bei Raumtemperatur eine Lösung von
2,2-Dimethyl-1,3-propandiol in THF unter Rühren während
1-1,5 h in eine Suspension aus NaH in THF eingetropft.
Die resultierende Reaktionsmischung wurde für 1 h am
Rückfluß gekocht. Dann ließ man die Mischung auf
Raumtemperatur abkühlen und die jeweiligen Alkylhalide
CH₃J, C₂H₅Br, CH₂=CH-CH₂-Br oder C₆H₅CH₂Br wurden während
des Verlaufs von 1 h zugetropft. Die Reaktionsmischung
wurde dann für weitere 16 h am Rückfluß gekocht (im Falle
von C₆H₅CH₂Br) oder bei Raumtemperatur gerührt, gefolgt von
einem weiteren Kochen am Rückfluß (die Zeiten sind in
Tabelle 1 gegeben). Dann wurden 15-20 ml Wasser
zugetropft, die wäßrige Phase wurde abgetrennt und dreimal
mit ca. 60 ml Diethylether extrahiert. Die vereinigten
organischen Phasen wurden getrocknet (MgSO₄), konzentriert
und der entstandene Alkohol wurde im Vakuum fraktioniert.
Die entsprechenden Daten sind in den Tabellen 1 und 1a
zusammengefaßt.
Zur Herstellung der entsprechenden Pivalaldehyde 2 bis 5
wurde eine Lösung des entsprechenden Alkohols 2a bis 5a in
absolutem Dichlormethan bei Raumtemperatur zu einer
Suspension aus Pyridiniumchlorochromat und Natriumacetat in
absolutem Dichlormethan zugefügt. Die Reaktionsmischung
wurde über die in der Tabelle 2 angegebene Zeit gerührt.
Anschließend wurde das in Tabelle 2 angegebene Volumen
Diethylether hinzugefügt. Das Lösungsmittel wurde
dekantiert, und der erhaltene Feststoff wurde viermal mit
100 ml Diethylether extrahiert. Die vereinigten Extrakte
wurden durch eine Silikagelsäule (12 × 3 cm) filtriert,
konzentriert, und der Rückstand wurde fraktioniert. Die
Versuchsbedingungen und Ergebnisse sind in den Tabellen 2
und 2a zusammengefaßt.
Zur Herstellung der β-substituierten Pivalaldehyde 6 und 7
wurden 3-Chlor-2,2-dimethyl-1-propanol sowie 3-Brom-2,2-
dimethyl-1-propanol (Fluka bzw. Aldrich) entsprechend den
monogeschützten Alkoholen 2a bis 5a mit
Pyrridiniumchlorochromat und ggf. Natriumactet (wie oben
beschrieben) in absolutem Dichlormethan oxidiert. Die
Ergebnisse dieser Umsetzung sind in Tabelle 3
wiedergegeben.
Zur Herstellung des β-substituierten Pivalaldehydes 8
(Acetoxypivalaldehyd) wurde eine Lösung von 3,0 g
(29,4 mmol) frisch geschmolzenem β-Hydroxypivalaldehyd,
3,63 g (46,0 mmol) Pyrridin und 9,0 g (88,2 mmol)
Acetanhydrid in 90 ml Dichlormethan bei 60°C 40 h lang
gerührt. Die Reaktionsmischung wurde dann über eine
Silikagelsäule (5 × 3 cm) filtriert, konzentriert und der
Rückstand im Vakuum fraktioniert destilliert. Die Ausbeute
betrug 2,2 g (52% der Theorie) an 3-Acetoxy-2,2-dimethyl
propionaldehyd; der Siedepunkt des Produkts betrug 75°C
bei 10 Torr. ¹H NMR (CDCl₃) δ = 1.12 (s, 6 H, CH₃), 2.05
(s, 3 H, CH₃CO₂), 4.12 (s, 2 H, CH₂), 9.52 (s, 1 H, CHO).
Eine Lösung von (R)-Oxynitrilase (Mengen und spezifische
Aktivitäten sind den nachfolgenden Tabellen 4 und 4a
entnehmbar) wird auf ein Trägermaterial getropft (z. B.
Avicel Cellulose, 1,5 g, getränkt mit 10 ml 0.02 M
Natriumacetat-Lösung, pH 3,3). 4-5 ml Diisopropylether
werden hinzugefügt, gefolgt von 100 µl des jeweiligen
Aldehyds 2 bis 8 und anschließend ein zwei- bis dreifacher
molarer Überschuß an HCN. Die Reaktionsmischung wird für
die in den Tabellen angegebene Zeit bei der dort
festgehaltenen Temperatur gerührt. Der Katalysator wird
abfiltriert und mit Diethylether gewaschen. Die
kombinierten Filtrate werden aufkonzentriert, um das
entsprechende (R)-Cyanhydrin der allgemeinen Formel II zu
ergeben.
Der Enantiomerenüberschuß wurde folgendermaßen bestimmt:
50 µl Acetanhydrid und 10 µl Pyridin werden zu einer Lösung von 10 µl des jeweiligen Cyanhydrins der allgemeinen Formel II in 250 µl Dichlormethan zugefügt. Die Reaktionsmischung wurde ca. 4 h bei 60°C aufbewahrt und dann über eine Silikagelsäule (3 × 0,5 cm) mit 3-4 ml Dichlormethan filtriert. Der Enantiomerenüberschuß der Verbindungen der allgemeinen Formel II wurde direkt aus dem Filtrat mittels Gaschromatographie unter Verwendung von Kapillarsäulen OV 1701 und PS 086 Phasen mit 10% permethyliertem β-Cyclodextrin bestimmt.
50 µl Acetanhydrid und 10 µl Pyridin werden zu einer Lösung von 10 µl des jeweiligen Cyanhydrins der allgemeinen Formel II in 250 µl Dichlormethan zugefügt. Die Reaktionsmischung wurde ca. 4 h bei 60°C aufbewahrt und dann über eine Silikagelsäule (3 × 0,5 cm) mit 3-4 ml Dichlormethan filtriert. Der Enantiomerenüberschuß der Verbindungen der allgemeinen Formel II wurde direkt aus dem Filtrat mittels Gaschromatographie unter Verwendung von Kapillarsäulen OV 1701 und PS 086 Phasen mit 10% permethyliertem β-Cyclodextrin bestimmt.
Eine Lösung von (R)-Cyanhydrin der allgemeinen Formel II
wird in einem Überschuß konz. HCl 16 h bei Raumtemperatur
gerührt und 5 h lang bei 115°C erhitzt. Der Überschuß von
HCl wird im Vakuum entfernt, der Rückstand in Diethylether
aufgenommen, getrocknet (Na₂SO₄), konzentriert und im
Vakuum destilliert oder aus
Diethylether/Petroleumethergemisch umkristallisiert, wobei
(R)-Pantolacton erhalten wird. Das erhaltene Pantolacton
hat einen Siedepunkt von 100°C bei 0,01 Torr, einen
Schmelzpunkt von 90,5°C, = -49 (c 0.6, H₂O),
(99% ee). ¹H NMR (CDCl₃) δ = 1.09 (s, 3 H, CH₃), 1.24 (s,
3 H, CH₃), 3.95, 4.04 (AB System, J=-8.9 Hz, 2 H, CH₂),
4.14 (s, 1 H, CH). ¹³C NMR (CDCl₃) δ = 18.8 und 22.9 (CH₃),
40.9 (C3), 75.5 (C2), 76.5 (C4), 177.9 (C1). Der
Enantiomerenüberschuß wurde ohne Derivatisierung auf
chiralen β-Cyclodextrin-Phasen (Chiraldex B-TA) mittels
Kapillargaschromatographie bestimmt. Das (R)-Pantolacton
wurde umsatzabhängig durch ¹H und ¹³C NMR-Analyse bestimmt.
Des weiteren wurden Elementar-Analysen und
Vergleichsmessungen der optischen Drehwerte in Abhängigkeit
vom Umsatz durchgeführt.
In der nachfolgenden Tabelle 5 sind die Ergebnisse der
säurekatalysierten Umwandlung der (R)-Cyanhydrine der
allgemeinen Formel II in (R)-Pantolacton zusammengefaßt.
Cellulosepulver (Avicel) wird mit 0,02 molarer
Acetatpufferlösung von pH 3,3 (6,5 ml/g Cellulose) verrührt
und nach 2 h abgesaugt und abgepreßt.
200 mg dieses vorbehandelten Trägermaterials werden mit
63 µl R-Oxynitrilaselösung (180 Units; 38 U/mg Protein)
benetzt und in 10 ml Diisopropylether suspendiert. Nach der
Zugabe von 163 mg (1,6 mmol) frisch destilliertem
Hydroxypivalaldehyd und 96 mg (3.5 mmol) Cyanwasserstoff
wird das Gefäß verschlossen und 6,5 h bei 22°C auf einem
Rüttelgerät langsam bewegt. Nach Abtrennung des Feststoffes
wird die Reaktionslösung gaschromatographisch untersucht.
Für die Gehaltsbestimmung an Cyanhydrin wird eine Probe
nach Zusatz von Xylit als internem Standard mit N-Methyl-N-
(trimethylsilyl)-trifluoracetamid (MSTFA) silyliert. Die
Trennung erfolgt an einer DB-5-Säule und ergibt 1,54 Gew.-%
Cyanhydrin, was einer Ausbeute von 55,8% d. Th.
entspricht.
Zur Bestimmung der Enantiomerenverteilung wird eine Probe
mit Stickstoff eingedampft und anschließend mit N-Methyl-
bis-trifluoracetamid (MBTFA) acyliert. Die Trennung erfolgt
auf einer Lipodex-E-Säule.
Aus dem Flächenverhältnis der beiden Enantiomeren
(R : S = 76,7 : 23,3) ergibt sich ein Enantiomerenüberschuß
des R-Cyanhydrins von 53,4% ee.
Weitere Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus den nachfolgenden Patentansprüchen.
Claims (16)
1. Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton durch
Umsetzung von β-substituierten Pivalaldehyden der
allgemeinen Formel I
worin
X für Hal, OR, steht, wobei
R C₁-C₄-Alkyl, -Alkenyl oder -Alkinyl, Aryl oder Aralkyl bedeutet und die Alkylreste jeweils verzweigt oder linear sein können,
mit Cyanwasserstoff in einem wäßrigen Medium oder in einem zumindest Spuren von Wasser aufweisenden organischen Lösungsmittel in Gegenwart von die Addition des Cyanwasserstoffs an den β-substituierten Pivalaldehyd der Formel I katalysierenden Mengen (R)-Oxynitrilase [EC 4.1.2.10] zu
(R)-Cyanhydrinen der allgemeinen Formel II worin X die bei Formel I angegebene Bedeutung besitzt,
und anschließende Verseifung des resultierenden Cyanhydrins im sauren Milieu unter Zyklisierung zum (R)-Pantolacton.
X für Hal, OR, steht, wobei
R C₁-C₄-Alkyl, -Alkenyl oder -Alkinyl, Aryl oder Aralkyl bedeutet und die Alkylreste jeweils verzweigt oder linear sein können,
mit Cyanwasserstoff in einem wäßrigen Medium oder in einem zumindest Spuren von Wasser aufweisenden organischen Lösungsmittel in Gegenwart von die Addition des Cyanwasserstoffs an den β-substituierten Pivalaldehyd der Formel I katalysierenden Mengen (R)-Oxynitrilase [EC 4.1.2.10] zu
(R)-Cyanhydrinen der allgemeinen Formel II worin X die bei Formel I angegebene Bedeutung besitzt,
und anschließende Verseifung des resultierenden Cyanhydrins im sauren Milieu unter Zyklisierung zum (R)-Pantolacton.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß Verbindungen der Formel I umgesetzt werden, worin
X = Cl, Br oder OR mit R = CH₃, C₂H₅, CH₂-CH = CH₂ ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die Umsetzung der β-substituierten
Pivalaldehyde der allgemeinen Formel I mit
Cyanwasserstoff in einem organischen Lösungsmittel, das
zumindest Spuren von Wasser aufweist, vornimmt.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß man als Lösungsmittel einen Ether, bevorzugt
Diisopropylether, einsetzt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß man mit einem 2-5 fachen molaren Überschuß,
bevorzugt einem 2-3 fachen molaren Überschuß, HCN,
bezogen auf den β-substituierten Aldehyd der
allgemeinen Formel I, umsetzt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß man die (R)-Oxynitrilase auf einem Träger
immobilisiert.
7. Verfahren nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß man als Träger Cellulose oder Kieselgur einsetzt.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die β-substituierten Pivalaldehyde in Gegenwart von
ca. 1800-3000 U (R)-Oxynitrilase je mmol
β-substituierten Pivalaldehyds umgesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß in Gegenwart einer hochgereinigten (R)-Oxynitrilase
mit einer spezifischen Aktivität von zwischen 50 und
150 U je mg (R)-Oxynitrilase umgesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Umsetzung der Verbindungen der Formel I mit
Cyanwasserstoff in Gegenwart eines Puffers, der den
pH-Wert im Bereich zwischen 2,8 und 8 hält,
durchgeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der pH-Wert zwischen 2,8 und 3,5 gehalten wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Acetat-Puffer verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die enzymkatalysierte Umsetzung bei Temperaturen
zwischen 0°C und 50°C vorgenommen wird.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verseifung des Cyanhydrins in konz. HCl unter
Erhalt von (R)-Pantolacton durchgeführt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verseifung ohne Zwischenisolierung des
Cyanhydrins durchgeführt wird.
16. Als Zwischenprodukt im Verfahren gemäß den
Ansprüchen 1-15 erhältliche neue Cyanhydrine
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-brom-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-chlor-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-methoxy,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-ethoxy,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-acetyl.
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-brom-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-chlor-butansäurenitril,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-methoxy,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-ethoxy,
(R) (-)-2-Hydroxy-3,3-dimethyl-4-acetyl.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995106728 DE19506728A1 (de) | 1995-02-27 | 1995-02-27 | Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE1995106728 Withdrawn DE19506728A1 (de) | 1995-02-27 | 1995-02-27 | Verfahren zur Herstellung von (R)-Pantolacton |
Country Status (1)
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DE (1) | DE19506728A1 (de) |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2001044487A1 (de) * | 1999-12-15 | 2001-06-21 | Dsm Fine Chemicals Austria Nfg Gmbh & Cokg | Verfahren zur herstellung von optisch aktiven cyanhydrinen unter verwendung von r-oxynitrilase |
SG87741A1 (en) * | 1995-04-24 | 2002-04-16 | Rhone Poulenc Nutrition Animal | Process for the condensation of hydrogen cyanide with an aldehyde |
WO2020234128A1 (de) | 2019-05-17 | 2020-11-26 | Sika Technology Ag | Prozess für die herstellung von 2,2-dialkyl-3-acyloxypro-panalen |
-
1995
- 1995-02-27 DE DE1995106728 patent/DE19506728A1/de not_active Withdrawn
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US6717006B1 (en) | 1999-12-15 | 2004-04-06 | Dsm Fine Chemicals Austria Nfg Gmbh & Co Kg | Method for the production of optically active cyanohydrins using r-oxynitrilase |
WO2020234128A1 (de) | 2019-05-17 | 2020-11-26 | Sika Technology Ag | Prozess für die herstellung von 2,2-dialkyl-3-acyloxypro-panalen |
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