DE19839219A1

DE19839219A1 - Verfahren zur Herstellung von Uronsäureestern

Info

Publication number: DE19839219A1
Application number: DE1998139219
Authority: DE
Inventors: Uwe Bornscheuer; Rolf Schmid; Holger Scheib; Ralf Otto; Christoph Syldatk
Original assignee: Henkel AG and Co KGaA
Current assignee: BASF Personal Care and Nutrition GmbH
Priority date: 1998-08-28
Filing date: 1998-08-28
Publication date: 2000-03-02

Abstract

Bei der Herstellung von Uronsäureestern aus entsprechenden Uronsäuren und Alkoholen sollte unter Verzicht auf Einführung und Abspaltung von Schutzgruppen die Selektivität und Ausbeute verbessert werden. Dies gelang im wesentlichen dadurch, daß man die Uronsäure und den Alkohol gegebenenfalls in Gegenwart einer geringen Menge eines organischen Lösungsmittels, die vorzugsweise weder die Uronsäure noch den entstehenden Uronsäureester vollständig löst, unter Katalyse einer Lipase miteinander umsetzte.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur enzymatisch katalysierten Herstellung von Uronsäureestern.

Auf chemischem Weg hergestellte oberflächenaktive Substanzen sind in der Regel aus Alkyl- oder Arylgruppen aufgebaut, die bei ionischen Tensiden als die Wasserlöslichkeit verstärkende Anteile Carboxylat-, Sulfonat, Phosphat- oder Ammoniumgruppen und bei den nichtionischen Verbindungen Alkohol- oder Polyethergruppen oder Zuckerreste enthalten. Von Vorteil ist bei derartigen Tensiden ihre über viele Jahrzehnte in großtechnischem Maßstab optimierte relativ einfache und preiswerte Herstellung. Ein Nachteil ist die relativ geringe Varianz bei den funktionellen Gruppen im lipophilen Molekülanteil. Als nachteilig wird auch oft empfunden, daß ein Großteil immer noch auf Erdöl als Rohstoffbasis angewiesen ist. Derartige Tenside werden in Lebensmitteln und in Pharmaprodukten daher nur in geringem Umfang eingesetzt. In Wasch- und Reinigungsmitteln sowie in Kosmetika basiert heute mindestens die Hälfte der verwendeten Tenside auf natürlichen Ölen und Fetten. Sogenannte Biotenside zeigen im Gegensatz zu den sogenannten chemischen Tensiden eine große Strukturvielfalt nicht nur im hydrophilen sondern auch im lipophilen Molekülanteil (S. Lang und F. Wagner in: Biosurfactans and Biotechnology, Ed.: N. Kosaric, W. L. Cairns und N. C. C. Gray, Verlag Marcel Dekker, New York, 1987, 25, 21-46). Meist handelt es sich um mikrobielle Sekundärmetabolite, die von Produzenten stämmen bevorzugt bei Wachstum auf lipophilen Substraten wie n-Alkanen oder Triglyceriden gebildet werden. Neben guter Umweltverträglichkeit zeigen diese Verbindungen oft auch interessante biologische Effekte wie zum Beispiel Membranaktivität oder Antibiotikawirkung, die sie für die industrielle Anwendung im Pharma-, Kosmetik- und Lebensmittelbereich zunehmend interessant erscheinen lassen. Hier werden bisher fast ausschließlich pflanzliche oder tierische Biotenside verwendet (V. Klekner und N. Kosaric in: Biosurfactants: Production-Properties-Applications, Ed.: N. Kosaric, Verlag Marcel Dekker, New York, 1993, 48, 373-390), die nach aufwendigen Verfahren hergestellt werden. Hier besteht Bedarf nach einfacheren Methoden der Herstellung, welche derartige Substanzen in hoher Ausbeute und Reinheit zur Verfügung stellen.

Ester der Glucuronsäure, sogenannte Glucuronide, werden hauptsächlich aus Abbaupro dukten von Hydrolysaten mikrobieller Zellwände sowie Stroh und Rindenabfällen be ziehungsweise aus Urin gewonnen (Viikari et al., Appl. Microbiol. Biotechnol. 1994, S. 124-129). Glucuronsäure dient im Organismus der Säugetiere bekanntlich als Konjugations partner für körpereigene, aber auch körperfremde Substanzen (P. Nuhn, Naturstoffchemie, S. Hirzel Verlag, 2. Aufl. 1990, Seite 183). Auch auf dem Gebiet der Antitumor- sowie bak teriziden Agenzien sind Verbindungen auf der Basis von Glucuronsäureestern bekannt, wobei deren Herstellung durch enzymatische Hydrolyse komplexerer Glucuronide erfolgt, wie beispielsweise in der internationalen Patentanmeldung WO 97/39007 oder von Schulz et. al in Liebigs Ann. Chem. 1989, S. 393-395 beschrieben. In Analogie zu den Estern langkettiger Carbonsäuren mit Zuckern sind auch die dazu gleichsam invers-funktionell verknüpften Ester von Uronsäuren mit langkettigen Alkoholen oberflächenaktiv und können als Tenside beziehungsweise Emulgatoren verwendet werden. Die hoch regioselektive enzymatisch katalysierte Reaktion von Carbonsäuren mit Zuckern ist bekannt, zum Beispiel aus L. Cao, A. Fischer, U.T. Bornscheuer, R.D. Schmid, Biocatal. Biotransform. 14 (1997), S. 269-283. Allerdings ist dabei die Wahl der Reaktanden sowohl der Zucker- als auch der Fettsäurekomponente bedingt durch die Substratspezifität des eingesetzten Lipase-Enzyms und demzufolge die so herstellbaren Produkte eingeschränkt.

Um das Spektrum an derartigen Verbindungen zu erweitern, wurde die Verknüpfung von Uronsäuren mit Alkoholen untersucht.

Dabei wurde überraschenderweise gefunden, daß Lipasen die Bildung entsprechender Ester bei milden Reaktionsbedingungen gegebenenfalls unter Verwendung geringer Mengen eines organischen Lösungsmittels katalysieren.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Uronsäureestern, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Uronsäure und einen Alkohol gegebenenfalls in Gegenwart einer geringen Menge eines organischen Lösungsmittels, die vorzugsweise weder die Uronsäure noch den entstehenden Uronsäureester vollständig löst, unter Katalyse einer Lipase miteinander umsetzt. Gegebenenfalls kann die Menge des Lösungsmittels auch so "gering" gewählt werden, daß man auf das Lösungsmittel vollständig verzichten kann.

Beispiele für erfindungsgemäß brauchbare Uronsäuren sind Lyxuronsäure, Galacturonsäure, Glucuronsäure, Guluronsäure, Iduronsäure und Mannuronsäure sowie die aus diesen und nicht-oxidierten Sacchariden zusammengesetzten Di-, Oligo- und gegebenenfalls Polymere. Die natürlich vorkommenden Isomere der Uronsäuren, in der Mehrzahl die D-Formen, sind bevorzugt.

Die mit der Uronsäuresäure zu veresternden Alkohole sind ihrer Struktur nach wenig kritisch. Es kann sich um lineare oder verzweigtkettige aliphatische Alkohole, arylaliphatische Alkohole oder um ein- oder mehrfach ungesättigte Alkohole handeln. Zu den bevorzugten Vertretern gehören Butanol, Pentanol, Hexanol, Heptanol, Octanol, Nonanol, Decanol, Undecanol, Dodecanol, Tridecanol, Tetradecanol, Pentadecanol, Hexadecanol, Octadecanol und Eicosanol sowie Benzylalkohol und Zimtalkohol.

Vorzugsweise weicht das im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzte Molverhältnis zwischen der Uronsäure und dem Alkohol nur möglichst gering von 1 ab und liegt insbesondere im Bereich von 0,8 bis 1,2, da dann die höchsten Ausbeuten an gewünschtem Produkt und die niedrigsten Mengen an Nebenprodukten auftreten.

Organisches Lösungsmittel kann gegebenenfalls vollständig fehlen. Falls vorhanden, wird das organische Lösungsmittel vorzugsweise so gewählt, daß das entstehende Produkt darin möglichst wenig löslich ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird es nur in solchen Mengen eingesetzt, daß bei weitem nicht der gesamte Teil der Edukte in gelöster Form vorliegt, sondern nur eine kleine gleichsam katalytische Flüssigphase entsteht, in der das Enzym die gewünschte Reaktion katalysieren kann. Als Anhaltspunkt kann dienen, daß man vorzugsweise nur etwa 0,2%, insbesondere 0,1% bis 0,5% der Menge einsetzt, die erforderlich wäre, die Edukte vollständig zu lösen. Zu den brauchbaren organischen Lösungsmitteln gehören zum Beispiel Dioxan, Acetonitril, γ-Butyrolacton, Tetrahydrofuran, tert.-Butanol, tert.-Amylalkohol, 3-Methyl-3-pentanol und Ketone wie Aceton und Methylethylketon sowie deren Gemische, wobei tert.-Butanol besonders bevorzugt ist.

Zu den geeigneten Lipasen gehören beispielsweise die aus Candida antarctica, Candida rugosa, Penicillium camembertii, Rhizomucor miehei, Burkholderia spec. oder Pseudomo nas spec. erhältlichen Enzyme. Vorzugsweise werden sie in fester Form, das heißt in bekannter Weise auf einem Trägermaterial immobilisiert, eingesetzt.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise bei Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur bis 80°C, insbesondere 60°C, durchgeführt.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das bei der Veresterung entstehende Wasser aus dem System entfernt, zum Beispiel mit Hilfe für diesen Zweck als geeignet bekannter Molekularsiebe.

Nach Beendigung der Reaktion kann das gewünschte Produkt mit Hilfe üblicher Methoden, zum Beispiel durch Extraktion mit einem geeigneten Lösungsmittel und gegebenenfalls weiterer Reinigung durch beispielsweise Chromatographie an Kieselgel, aus dem Reaktionsgemisch isoliert werden.

Im Hinblick auf die Erfahrtingen mit chemischen Veresterungsreaktionen mußte man erwarten, daß die Herstellung von Uronsäureestern aus Alkoholen und ungeschützten Uronsäuren, in denen mehrere freie Hydroxylgruppen enthalten sind, im wesentlichen zu unspezifischen Gemischen aus polymeren, das heißt untereinander veresterten Uronsäuren führen sollte. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ganz im Gegenteil die chemo- und regioselektive Synthese eines breiten Spektrums bisher nur schwer zugänglicher oder überhaupt noch nicht beschriebener organischer Verbindungen, welche für die Anwendung im Kosmetik-, Lebensmittel-, Pharma- und Umweltsektor von Interesse sind.

Überdies muß betont werden, daß gemäß der erfindungsmäßigen Umsetzung unter nur ge ringer Variation der Bedingungen eine sehr breite Palette verschiedenster Produkte in bes seren Ausbeuten und höherer Reinheit unter schonenderen Bedingungen hergestellt werden kann, als dies gemäß den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren möglich ist.

Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Produkte können Tensidstruktur aufweisen, wenn sie aus einem wasserlöslichen hydrophilen (aus der Uronsäure stammenden) und mindestens einem gut fettlöslichen hydrophoben (aus dem Alkohol stammenden) Molekülanteil bestehen. Das Größenverhältnis der Molekülanteile zueinander (Hydrophilic-Lipophilic-Balance oder HLB-Wert) und die darin enthaltenen funktionellen Gruppen bestimmen die Tensideigenschaften der jeweiligen Verbindung. Die erfindungs gemäße Umsetzung erlaubt eine sehr breite Varianz in der Verknüpfung unterschiedlicher Bausteine und damit die einfache Herstellung von Verbindungen unterschiedlicher HLB-Werte. Damit können tensidische Emulgatoren sowohl für Wasser-in-Öl- als auch Öl-in-Was ser-Emulsionen - ein Spektrum, welches für die Anwendung im Kosmetik-, Pharma-, Lebensmittel- und Umweltsektor von hohem Interesse ist - dargestellt werden.

Die Grenzflächenaktivität der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbindungen ist mit derjenigen chemisch oder fermentativ produzierter aliphatischer Zuckerester mindestens vergleichbar. Deutlich hervorzuheben ist die verbesserte Wasserlöslichkeit der erfindungsgemäß erhaltenen Produkte. Sie sind für den Einsatz als Emulgatoren insbesondere für Öl-in-Wasser-Emulsionen wie auch als tensidischer Bestandteil in Wasch- oder Reinigungsmitteln geeignet. Überdies sind die Verbindungen gut biologisch abbaubar.

Die pharmazeutische Wirksamkeit von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Verbindungen ist vielfältig. Biotenside zeigen nachweislich antibiotische Effekte und Membranaktivität. Darüber hinaus bietet die Umsetzung weitere interessante Möglichkeiten, da sie erlaubt, Wirkstoffe einen eher hydrophoben oder mehr hydrophilen Charakter zu verleihen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht überdies, ausreichen de Substanzmengen für pharmakologische Studien und eine breite Anwendung bereitzu stellen.

Beispiele Beispiel 1

5 mmol D-Glucuronsäure und 5 mmol n-Butanol (wird hier definiert als 1 Gewichtsteil) in der bezogen auf das Gewicht doppelten Menge an tert.-Butanol (entsprechend folglich 2 Gewichtsteilen) wurden mit 0,5 Gewichtsteilen aktiviertem Molekularsieb 3 Å versetzt, unter Rühren auf 60°C erwärmt und über die weitere Reaktionsdauer bei dieser Temperatur gehalten. 1,25 Gewichtsteile immobilisierte Candida antartica B Lipase (SP 435, Hersteller Novo Nordisk) wurden zugegeben. Der Reaktionsfortgang wurde dünnschichtchromatogra phisch verfolgt. Nach Reaktionsende wurde das Reaktionsgemisch mit Dichlormethan 15 Minuten bei Raumtemperatur extrahiert und zentrifugiert. Das organische Lösungsmittel des Überstandes wurde im Vakuum abgezogen und das Rohprodukt an Kieselgel (Laufmittel Ethylacetat/Methanol 10 : 1) chromatographiert. Man erhielt 270 mg 6-Butyl-D-Glucuronid (B1) als farbloses Öl. ¹³C-NMR (CD₃OD): δ (ppm) = 14,0 (C-4), 20,1 (C-3), 31,7 (C-2), 65,9 (C-1), 72,7 (α-C-5'), 73,2 (β-C-4'), 73,4, 73,6 (α-C-2', C-3'), 74,5 (β-C-2'), 75,9 (α-C4'), 77,2, 77,4 (β-C-3', C-5'), 94,5, 98,7 (α/β-C-1'), 170,9, 172,1 (α/β-C=O).
Elementaranalyse:
berechnet: C, 47,99; H, 7,25;
gefunden: C, 47,39; H, 7,37.

Beispiel 2

Wie in Beispiel 1 beschrieben wurden Zimtalkohol und D-Glucuronsäure miteinander umgesetzt. Man erhielt 230 mg 6-Cinnamyl-D-Glucuronid (B2) als farbloses Öl. ¹³C-NMR (CD₃OD): δ (ppm) = 65,4 (C-1), 72,9 (α-C-5'), 73,2 (β-C-4'), 73,4, 73,5 (α-C-2', C-3'), 74,4 (β-C-2'), 75,9 (α-C-4'), 77,1, 77,4 (β-C-3', C-5'), 94,5, 98,8 (α/β-C-1'), 127,4 (C-2), 129,1, 129,5 (Ar, C-3), 135,3 (C-4), 170,5, 171,8 (α/β-C=O).
Elementaranalyse:
berechnet: C, 58,06; H, 5,85;
gefunden: C, 58,06; H, 5,95.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Uronsäureestern, dadurch gekennzeichnet, daß man die Uronsäure und einen Alkohol gegebenenfalls in Gegenwart einer geringen Menge eines organischen Lösungsmittels, die vorzugsweise weder die Uronsäure noch den entstehenden Uronsäureester vollständig löst, unter Katalyse einer Lipase miteinander umsetzt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lipase aus den aus Candida antarctica, Candida rugosa, Penicillium camembertii, Rhizomucor miehei, Burkholderia spec. oder Pseudomonas spec. erhältlichen Enzymen ausgewählt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lipase in fester Form, insbesondere auf einem Trägermaterial immobilisiert, eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Uronsäure aus Lyxuronsäure, Galacturonsäure, Glucuronsäure, Guluronsäure, Iduronsäure und Mannuronsäure sowie den aus diesen und nicht-oxidierten Sacchariden zusammengesetzten Di-, Oligo- und gegebenenfalls Polymeren ausgewählt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkohol ein linearer oder verzweigtkettiger aliphatischer Alkohol, ein arylaliphatischer Alkohol oder ein ein- oder mehrfach ungesättigter Alkohol ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Alkohol aus der Gruppe umfassend Butanol, Pentanol, Hexanol, Heptanol, Octanol, Nonanol, Decanol, Undecanol, Dodecanol, Tridecanol, Tetradecanol, Pentadecanol, Hexadecanol, Octadecanol und Eicosanol sowie Benzylalkohol und Zimtalkohol ausgewählt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Molverhältnis zwischen der Uronsäure und dem Alkohol nur möglichst gering von 1 abweicht und insbesondere im Bereich von 0,8 bis 1,2 liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man nur 0,1% bis 0,5% der Menge an organischem Lösungsmittel einsetzt, die erforderlich wäre, die Edukte vollständig zu lösen.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das organische Lösungsmittel aus Dioxan, Acetonitril, γ-Butyrolacton, Tetrahydrofuran, tert.-Butanol, tert.-Amylalkohol, 3-Methyl-3-pentanol, Aceton und Ethylmethylketon sowie deren Gemischen auswählt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man es bei Temperaturen im Bereich von Raumtemperatur bis 80°C, insbesondere 60°C, durchführt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man das bei der Veresterung entstehende Wasser, insbesondere mit Hilfe für diesen Zweck als geeignet bekannter Molekularsiebe, aus dem System entfernt.