DE19937825B4

DE19937825B4 - Verfahren zur Reduktion von Hydroxyketo-Carbonsäuren und deren Estern

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Publication number: DE19937825B4
Application number: DE19937825A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Müller; Michael Wolberg; Werner Dr. Hummel; Christian Prof. Dr. Wandrey
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1999-07-09
Filing date: 1999-08-11
Publication date: 2005-08-11
Anticipated expiration: 2019-08-12
Also published as: DE19937825A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Diketocarbonsäuren oder Hydroxyketocarbonsäuren oder deren Estern, bei dem in Gegenwart von Lactobacillus-Arten wenigstens eine Ketogruppe zu einer Hydroxygruppe umgesetzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reduktion von Hydroxyketocarbonsäuren oder deren Estern zu Hydroxyverbindungen.
Optisch aktive Hydroxyverbindungen sind wertvolle chirale Bausteine. So sind chirale Diole wichtige Grundstoffe für eine Vielzahl von Wirkstoffen in der Pharmazie und im Pflanzenschutz sowie für Katalysatoren.

Zur Herstellung von chiralen Verbindungen können biotechnologische Verfahren angewendet werden, die entweder unter Verwendung ganzer Mikroorganismen-Zellen oder mittels isolierter Enzyme arbeiten.

Geeignete Enzyme zur Synthese von Alkoholen sind u.a. Oxidoreduktasen, die in der EP 0456107 A2 (gewonnen aus Lactobacillus kefir), der EP 0796914 A2 und der PCT/DE 99/00848 (aus Lactobacillus brevis) beschrieben sind. Die Synthesen erfordern allerdings die Zugänglichkeit zu den geeigneten Enzymen, den Zusatz eines löslichen Coenzyms (NADH, NADPH) und ein Coenzym-Regenerierungssystem. Ebenso wird in der WO 97/00968 der Einsatz von Reduktasen für die Reduktion von Ketogruppen beschrieben.

Ferner wird in der US-PS 5,342,767 ein Verfahren beschrieben, bei dem unter Einsatz von Alkohol-Dehydrogenase aus Lactobacillus kefir eine Reduktion durchgeführt wird.

In der DE 196 10 984 A1 wird ebenfalls ein Verfahren beschrieben, bei dem eine Alkohol-Dehydrogenase zum Einsatz kommt. Neben den gereinigten Enzymen können auch ganze Zellen verwendet werden. Gegenstand dieser Erfindung ist jedoch nicht die Umsetzung von Verbindungen mit zwei oder mehr Ketogruppen. Ebenso betrifft das Verfahren nicht die Umsetzung von Keto-Carbonsäuren und. deren Estern.

Mikroorganismen stellen eine kostengünstige Alternative zu Enzymen dar. Allerdings ergeben diese Verfahren häufig niedrige Ausbeuten (F. Aragazzini et al., Appl. Microbiol. Biotechnol. (1986) 24, 175–177). Außerdem treten häufig ausbeutemindernde Nebenreaktionen auf und die Produkte besitzen nicht immer eine ausreichende Enantiomerenreinheit. Die Produktausbeute und -qualität hängen stark vom verwendeten Stamm und den Anzuchtbedingungen ab.

Aus der EP 0569 998 A2 ist schließlich ein Verfahren bekannt, bei dem verschiedene Mikroorganismen zur Reduktion von Ethergruppen enthaltenden Diketoestern eingesetzt werden. Zu den nach der Beschreibung dieser Erfindung einsetzbaren Mikroorganismen zählen zahlreiche Hefen und Bakterien, jedoch nicht Lactobacillus-Arten.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zur Reduktion von Hydroxyketocarbonsäuren oder deren Estern, das die geschilderten Nachteile nicht mehr aufweist. Unter Hydroxygruppen sind hier auch mit Schutzgruppen maskierte Hydroxygruppen zu verstehen.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch ein Verfahren zur Reduktion von Hydroxyketocarbonsäuren oder deren Estern bei dem in Gegenwart von Lactobacillus-Arten die Ketogruppe zu einer Hydroxygruppe umgesetzt wird.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet insbesondere die katalytische Reduktion der prochiralen 3,5-Dioxocarbonsäurenderivate gemäß Formel 1:

A, B = C=O oder CHOΣ, wobei A ≠ B und Σ = H oder Schutzgruppe für die Hydroxyfunktion.
R¹, R² = H oder eine Komponente aus der Gruppe Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Aryl, Aralkyl, Cycloalkylalkyl, wobei die Komponenten auch einfach oder mehrfach mit den Heteroatomen Si, N, P, O, S, F, Cl, Br oder I substituiert oder vollständig durch Heteroatome ersetzt sein können.
R³ = H, Metallkationen oder eine Komponente aus der Gruppe Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Aryl, Aralkyl, Cycloalkylalkyl, wobei die Komponenten auch einfach oder mehrfach mit den Heteroatomen Si, N, P, O, S, F, Cl, Br oder I substituiert sein können.
Y = eine Komponente aus der Gruppe Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Aryl, Aralkyl, Cycloalkylalkyl, wobei die Komponenten auch einfach oder mehrfach mit den Heteroatomen Si, N, P, O, S, F, Cl, Br oder I substituiert sein können. Ausgeschlossen wird X-CH₂-O-CH₂-, wobei X = Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Aralkyl oder Cycloalkylalkyl sein kann. Unter den Halogenen sind Fluor und Chlor besonders bevorzugt.
n = 0-10.

Unter Alkyl sind sowohl geradkettige als auch verzweigte gesättigte Kohlenstoff Ketten zu verstehen. Beispielhaft können Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, t-Butyl, Pentyl, i-Pentyl, n-Hexyl, i-Hexyl genannt werden.

Mit Alkenyl sind geradkettige und verzweigte ungesättigte Kohlenwasserstoffe bezeichnet, für die beispielhaft Vinyl, 1-Propenyl, Allyl, Butenyl, i-Butenyl genannt werden können.

Mit Alkinyl sind geradkettige und verzweigte ungesättigte Kohlenwasserstoffe bezeichnet, die wenigstens eine -C≡C- Bindung enthalten, wie beispielsweise Ethinyl oder Propinyl.

Von dem Begriff Cycloalkyl werden gesättigte, ringförmige Kohlenwasserstoffketten umfaßt, die aus drei, vier, fünf, sechs oder sieben Kohlenwasserstoffatomen bestehen.

Cycloalkenyl bezeichnet ungesättigte, ringförmige Kohlenwasserstoffe, mit fünf, sechs, sieben oder acht Kohlenstoffatomen. Unter Aryl sind aromatische Systeme, eingeschlossen Heteroaromaten und substituierte aromatische Systeme, wie z. B. Phenyl, p-Methylphenyl oder Furanyl zu verstehen.

Unter Aralkyl sind Arylreste zu verstehen, die über Alkylgruppen angebunden sind, z. B. ein Benzylrest.

Unter den Begriff Cycloalkylalkyl fallen Cycloalkylreste, die über Alkylgruppen gebunden sind.

Ebenso sind Reaktionen der Verbindungen gemäß der Formeln 2 und 3 möglich.

Hierbei haben R¹, R², R³ und Y dieselbe Bedeutung wie in Formel 1.
Σ = H oder Schutzgruppen für die Hydroxyfunktionen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können demgemäß insbesondere 3,5-Dihydroxycarbonsäurederivate der im folgenden dargestellten Formel 4 erzeugt werden:

Hierbei haben R¹, R², R³ und Y dieselbe Bedeutung wie in Formel 1.
Σ = H oder Schutzgruppe für die Hydroxyfunktion.

Insbesondere können mit den erfindungsgemäßen Verfahren, im Gegensatz zum Stand der Technik, Verbindungen gemäß den Formeln 2 und 3 als Substrate umgesetzt werden.

Je nach Konfiguration an den Stereozentren C-3 und C-5 können die erfindungsgemäß hergestellten 3,5-Dihydroxycarbonsäurederivate der Formel 4 zielgerichtet bei der Synthese chiraler Naturstoffe, Pharma- und Agrowirkstoffe, Katalysatoren und Hemmstoffen eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind HMG-CoA-Reduktase-Inhibitoren des Mevinsäure-Typs und Lipase-Hemmer des Lipstatin-Typs.

Andere Natur- oder Wirkstoffe verlangen andere Konfigurationen der stereogenen Zentren in Position C-3 und C-5. Auch dies ist mit der vorliegenden Erfindung möglich.

Vor der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Reduktion von 3,5-Dioxocarbonsäurederivaten durch regioselektive Einführung einer Hydroxygruppe in Position C-3 oder C-5 erfolgen, wobei ein Produkt mit r-Konfiguration erhalten wird. Zu dem Begriff r-Konfiguration sei beispielhaft an Formel 2 folgendes ausgeführt:
In der Formel 2 tritt die OΣ-Gruppe in 5-Position aus der Papierebene hervor, während Y und die Kohlenstoffatome des Kohlenstoffgrundgerüstes in der Papierebene liegen:

Diese Konfiguration wird im folgenden unabhängig von Y als r-Konfiguration bezeichnet.

Bei der Reduktion von 3,5-Dioxocarbonsäurederivaten ist eine gezielte Festlegung der Stereozentren in den Position C-2 und C-4 möglich. Dies gilt insbesondere für den Fall, daß R¹ und R² von H verschieden sind und R¹ beispielsweise eine Methylgruppe darstellt. Sowohl die Enantiomerenreinheit als auch die Diastereomerenreinheit sind hierbei sehr hoch (> 95%).

Erfindungsgemäß können mit dem Reduktionsverfahren auch Gemische hergestellt werden, die Verbindungen mit unterschiedlichen Hydroxygruppen-Gehalten aufweisen. Beispiele hierfür sind Gemische, die aus Verbindungen der Formeln 2, 3 und 4 bestehen, wobei R¹, R² = H; Y = -CH₃ oder -CH₂Cl und R³ = C(CH₃)₃. Das erfindungsgemäße Verfahren wird mit Lactobacillus-Arten durchgeführt. In Betracht kommen grundsätzlich alle Lactobacillus-Arten. Besonders bevorzugt ist jedoch die Verwendung von Lactobacillus kefir und Lactobacillus brevis.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann unter üblichen Fermentationsbedingungen und in den üblichen Reaktoren durchgeführt werden.

Als Cosubstrat kann ein leicht metabolisierbares Kohlenstoff-haltiges Substrat, z.B. Glukose verwendet werden. Dadurch werden die bei der Umsetzung verbrauchten Reduktionsäquivalente nachgeliefert.

Die Reaktionen werden erfindungsgemäß bei Temperaturen von 10 bis 50°C, bevorzugt von 15 bis 40°C durchgeführt.

Der pH-Wert liegt bei 2 bis 10, bevorzugt zwischen 4 und 8. Zur Sicherstellung eines geeigneten pH-Wertes kann jede in der Fermentationstechnik übliche Puffersubstanz eingesetzt werden. Dies sind z. B. Triethanolamin, Phosphat-Puffer, Phosphat-Citrat-Puffer, 2-Amino-2-(hydroxymethyl)-1,3-propandiol-Puffer, 2-[N-Morpholino]ethansulfonsäure-Puffer (MES) oder Tris-Puffer. Die Konzentrationsbereiche für die Puffer liegen vorteilhafterweise zwischen 50 und 500 mmol/l.

Als Reaktoren können ebenfalls alle bekannten Reaktortypen Verwendung finden. So können sowohl herkömmliche Rührreaktoren als auch Festbettreaktoren eingesetzt werden.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens entfallen vor allem kostenintensive und umweltbelastende Racemat-, oder Diastereomerentrennungen. Die in einer diastereoselektiven Synthese erforderliche Anbindung und Abspaltung einer stöchiometrischen Menge einer homochiralen Hilfsgruppe wird vermieden. Weiterhin ist das Kohlenstoffgerüst der Dihydroxycarbonsäureester in den Ausgangsverbindungen bereits komplett, das heißt, die Stereozentren werden erst zu einem späteren Zeitpunkt in die Gesamtsynthesesequenz eingeführt. Dadurch wird der Verlust an homochiralem Material niedrig gehalten. Gleichzeitig werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sehr hohe Stereoselektivitäten erzielt. Durch die Verwendung ganzer Zellen entfällt außerdem die Notwendigkeit, zusätzlich kostenintensive Coenzyme und Coenzym-Regenerierungssysteme in die Reaktionen einzusetzen.

Die erfindungsgemäß hergestellten Verbindungen gemäß Formel 4 können insbesondere zur Herstellung von chiralen Naturstoffen, Pharma- und Agrowirkstoffen, Katalysatoren und Hemmstoffen eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind HMG-CoA-Reduktase Inhibitoren des Mevinsäure-Typs und Lipase-Hemmer des Lipstatin-Typs.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher beschrieben:
Beispiel 1: Herstellung von Lactobacillus-Zellen (Lactobacillus kefir)
Zellen für die Reduktion können erhalten werden, indem eine Stammkultur von Lactobacillus kefir (z.B. DSM 20587) in folgendem Medium vermehrt wird:
Pro 1 L: 10 g Caseinpepton, tryptisch verdaut; 10 g Fleischextrakt; 5 g Hefeextrakt, 20 g Glucose; 1 g Tween 80; 2 g K₂HPO₄; 5 g Na-acetat; 2 g Diammoniumcitrat; 0,2 g MgSO₄ × 7 H₂O; 0,05 g MnSO₄ × H₂O; pH = 6,2–6,5. Nach 24 Std. Wachstum werden die Zellen durch Zentrifugation geerntet. Sie können durch Einfrieren gelagert werden.
Das folgende Beispiel 2 zeigt die Herstellung von 3,5-Dihydroxycarbonsäurederivaten IV durch das erfindungsgemäße Verfahren mit der Möglichkeit einer vorgeschalteten Reduktion (nicht erfindungsgemäß) von 3,5-Diketocarbonsäurederivaten mit Lactobacillus kefir.
Beispiel 2:
Synthese der sekundären Alkohole (S)-II, (R)-III und (3R, 5S)-IV (Formelschema I)
Die im folgenden beschriebene Ganzzelltransformationen wird bei Raumtemperatur mit Zellen von Lactobacillus kefir durchgeführt, die wie unter Beispiel 1 beschrieben erhalten werden. Diketoverbindung I wird dargestellt wie beschrieben in M. Wolberg, W. Hummel, M. Müller, DE 19847302 A , 1998.
Durchführung der mikrobiellen Reduktion
In einem 50 ml Becherglas werden 0.61 g Feuchtzellmasse in 0.5 ml Phosphat-Citrat-Puffer (250 mM, pH 5.5) unter Rühren suspendiert. Von dieser Zellsuspendion werden 0.9 ml mit 1 ml Glucose-Lösung (5 M, autoklaviert), 8 ml Phosphat-Citrat-Puffer (250 mM, pH 5.5) und 50 μl 6-Chlor-3,5-dioxo-hexansäuretert-Butylester (I) versetzt. Das Reaktionsgemisch wird mit einem Magnetrührer gerührt.
Reaktionskontrolle
Nach 1 h, 2 h, 6.5 h und 10.5 h werden Proben gezogen. Dazu gibt man 40 μl der Reaktionslösung zu 200 μl Essigsäureethylester, schüttelt aus und analysiert die organische Phase gaschromatographisch, wobei ein Quadrupol- Massenspektrometer mit Elektronenstoßionisation (70 eV) als Detektor zum Einsatz kommt (GC-MS-Kopplung).
GC-Kapillarsäule: HP-5MS (5% Phenyl-Methyl-Siloxan; 30.0 m × 250 μm × 0.25 μm nominal)
Temperaturprogramm: 1 min 60°C, dann auf 280°C (15°C/min)
Gasfluß: 1.0 ml/min Helium
Injektion: split 50 : 1 Retentionszeiten:

I: 8.21 min

(S)-II: 8.10 und 8.84 min (s. u.)

(R)-III: 9.06 min

(3R,5S)-IV: 9.26 min
Die Diketoverbindung I wird als Furanon nachgewiesen, ebenso der Hydroxyketoester (R)III (HCl-Abspaltung im Injektor, siehe auch Formelschema IV). Der Hydroxyketoester (S)-II erzeugt durch partielle thermische Lactonbildung im GC-Injektor zwei Signale.
Anhand der Chromatogramme kann der Verlauf der mikrobiellen Reduktion verfolgt werden: In den ersten beiden Proben lassen sich wachsende Anteile der Hydroxyketone (S)-II und (R)-III erkennen, während in den zu späteren Zeitpunkten entnommenen Proben das Signal für die Dihydroxyverbindung (3R,5S)-IV an Intensität gewinnt. Da gleichzeitig die Signale für die Hydroxyketone (S)-II und (R)-III wieder an Intensität verlieren, kann davon ausgegangen werden, daß die Dihydroxyverbindung (3R,5S)-IV durch mikrobielle Reduktion der intermediär auftretenden Hydroxyketone (S)-II und (R)-III gebildet wird.
Aufarbeitung:
Nach 12.5 h wird die Reaktion durch Abzentrifugieren der Zellen abgebrochen. Die Zellpellets und der Zentrifugationsüberstand werden getrennt voneinander je zweimal mit Essigsäureethylester extrahiert. Nach Trocknen der vereinigten organischen Phasen mit Natriumsulfat und Einengen am Rotationsverdampfer werden 44 mg Rohprodukt erhalten.
Produktanalytik
a) Bestimmung der Anteile der Reaktionsprodukte im Rohprodukt
Für eine zerfallsfreie gaschromatographische Analyse (GC-MS, Methode s. o.) werden in einem 1.5 ml GC-Glasvial 1.5 mg des Rohproduktes der mikrobiellen Reduktion in 0.5 ml Dichlormethan aufgenommen und mit 10 μl Trifluoressigsäureanhydrid (TFAA) und 10 μl Pyridin versetzt. Anschließend wird das Glasvial mit einem Septum verschlossen und 30 min bei 40°C aufbewahrt (Wasserbad).
Die nachfolgende GC-MS-Analyse ergibt vier Hauptsignale, die anhand der zugehörigen Massenspektren den Derivatisierungsprodukten (3R,5S)-V, (S)-VI, (S)-VII, und VIII zugeordnet werden können (Formelschema II).
Derivat (3R,5S)-V wird aus dem mikrobiellen Reduktionsprodukt (3R,5S)-IV gebildet, während das Hydroxyketon (S)-II zu den zwei stereoisomeren Bisacylierungsprodukten (S)-VI und (S)-VII reagiert. Das cyclische Derivat VIII bildet sich aus dem Furanon IX, dessen Formierung aus der Diketoverbindung I während der mikrobiellen Reaktion bekannt ist (Nebenprodukt durch intramolekulare Alkylierung, siehe M. Wolberg, W. Hummel, M. Müller, DE 19857302 A , 1998). Ein Derivat des Hydroxyketoesters (R)-III kann im Rohprodukt nicht gefunden werden. Diese intermediär auftretende Verbindung wird bei der hier gewählten Reaktionsführung (Abbruch der Reaktion nach 12.5 h) komplett zur Dihydroxyverbindung (3R,5S)-IV umgesetzt.
Die Integration der vier Hauptsingnale im Gaschromatogramm ergibt folgende relative Intensitäten ((S)-VI und (S)-VII zusammengefaßt, Retentionszeiten in Klammern):

(3R,5S)-V: 34% (8.14 min)

(S)-VI/(S)-VII: 61% (8.30/7.84 min)

VIII: 5% (6.85 min)
Bei der hier beschriebenen Reaktionsführung der mikrobiellen Reduktion erhält man somit ein Rohprodukt, das hauptsächlich aus dem Hydroxyketon (S)-II besteht. Dieses Ergebnis wird durch NMR-Spektroskopie bestätigt (s. u.).
Es ist zweifellos möglich durch Variationen der Reaktionsführung die Zusammensetzung des Rohproduktes zu beeinflussen.
Die soeben beschriebene Derivatisierung und GC-MS-Analyse wurde mit dem racemischen Hydroxyketoester rac-II und dem Diastereomerengemisch der Dihydroxyverbindungen syn-/anti-IV, welche durch eine unabhängige Synthese erhalten wurden (Formelschema III), überprüft.
Die Retentionszeiten und Massenspektren dieser racemischen Proben stimmen mit den Retentionszeiten und Massenspektren der Produkte der mikrobiellen Reduktion überein. Gleiches gilt für die jeweiligen TFA-Derivate (Formelschema II).
Das Furanon IX wurde ebenfalls in einer unabhängigen Synthese dargestellt (Formelschema IV).
Auch hier stimmen die Retentionszeiten und Massenspektren mit den analogen Signalen in den Spektren des Rohproduktes der mikrobiellen Reduktion überein.
b) Bestimmung des Diastereomerenverhältnisses
Die Diastereomere syn-IV und anti-IV werden mit der verwendeten gaschromatographischen Methode nicht getrennt. Eine Grundlinientrennung kann allerdings nach Derivatisierung mit TFAA/Pyridin erreicht werden (Formelschema V).
Das polarere Isomer anti-V weist gegenüber dem syn-Isomer eine längere Retentionszeit auf. Beide Signale zeigen identische Massenspektren.
Angewendet auf das Rohprodukt der mikrobiellen Reduktion ergibt diese Methode für die Diastereomere syn-V und anti-V ein Verhältnis von 135 : 1. Die mikrobielle Reduktion liefert somit das syn-Isomer in sehr hohem Überschuß. Dieses Ergebnis wird durch NMR-Spektroskopie bestätigt (s. u.). Für die TFA-Derivate der Produkte der nahezu unselektiven NaBH₄-Reduktion (Formelschem III) ergibt die Integration der GC-Signale ein Verhältnis von 1.4 : 1.0.
c) NMR-Spektroskopie
Die NMR-Spektren des Rohprodukts der mikrobiellen Reduktion bestätigen die Ergebnisse der GC-MS-Analysen. Das ¹H-NMR-Spektrum zeigt eine Überlagerung der einzelnen Spektren der Verbindungen (S)-II, (3R,5S)-IV- und IX, wobei die Signale des Hydroxyketons (S)-II eindeutig dominieren, während die Signale des Furanons IX nur schwach zu sehen sind.
Hydroxyketoester (S)-II:
¹H-NMR (300 MHz, CDCl₃, 22°C, es werden nur die Signale der Ketoform angegeben) δ: 4.31 (m, 1H, CHOH), 3.6 (m, Feinstruktur nicht erkennbar durch Überlagerung mit Multiplett von Verbindung (3R,5S)-IV; 2 × H6), 3.41 (s, 2H, H2), 2.90 (dd, J = 17.5, 5.0 Hz, 1H, H4), 2.83 (dd, J = 17.5, 7.3 Hz, 1H, H4), 1.46 (s, 3 × CH₃, Überlagerung mit analogem Signal der Verbindungen (3R,5S)-IV und IX). Keto: Enol = ca. 95:5. ¹³C-NMR (75.5 MHz, CDCl₃, es werden nur die Signale der Ketoform angegeben) δ: 28.13 (OC(CH₃)₃), 46.57, 48.43, (C4, C6), 51.31 (C2), 67.58 (C5), 82.73 (OC(CH₃)₃), 166.22 (COOtBu), 202.93 (C3).
Dihydroxyverbindung (3R,5S)-IV:
¹H-NMR (300 MHz, CDCl₃, 22°C) δ: 4.22 (m, 1H, H5), 4.05 (m, 1H, H3), 3.6 (m, Feinstruktur nicht erkennbar durch Überlagerung mit Multiplett von Verbindung (S)-II; 2 × H6), 2.43 (d, J = 6.3 Hz, 2H, H2), 1.70 (m, 2H, H4), 1.46 (s, 3 × CH₃, Überlagerung mit analogem Signal der Verbindungen (S)-II und IX). ¹³C-NMR (75.5 MHz, CDCl₃) δ: 28.27 (OC(CH₃)₃), 39.45, 42.47 (C2, C4), 49.17 (C6), 68.35 (C3), 71.57 (C5), 81.90 (OC(CH₃)₃), 172.21 (COOtBu).
Furanon IX:
¹H-NMR (300 MHz, CDCl₃, 22°C) δ: 5.69 (s, 1H, H3), 4.54 (s, 2H, H5), 3.48 (s. 2H, H6), 1.47 (s, 3 × CH₃, Überlagerung mit analogem Signal der Verbindungen (S)-II und (3R,5S)-IV).
Die angegebenen Verschiebungen beziehen sich auf CHCl₃ in CDCl₃ (¹H-NMR: δ = 7.27; ¹³C-NMR: δ= 77.23) und stimmen mit den Daten der auf unabhängigem Wege synthetisierten Vergleichsverbindungen rac-II, syn/anti-IV und IX (Formelschema III) überein.
Die Signale der Dihydroxyverbindung anti-IV, die sich von denen der stereoisomeren Verbindung syn-IV unterscheiden, können im ¹³C-NMR-Spektrum des Rohproduktes der mikrobiellen Reduktion nicht beobachtet werden. Dies ist ein weiterer Beweis für den sehr hohen Anteil des syn-Isomers (s.o.).
Dihydroxyverbindung anti-IV (aus unabhängiger Synthese, siehe Formelschem III): ¹³C-NMR (75.5 MHz, CDCl₃) δ: 28.27 (OC(CH₃)₃), 39.33, 42.22 (C2, C4), 49.60 (C6), 65.46 (C3), 68.94 (C5), 81.87 (OC(CH₃)₃), 172.54 (COOtBu).
Die Zuordnung der Signalsätze im ¹³C-NMR-Spektrum des Isomerengemisches syn-/anti-IV zu den Diastereomeren erfolgt anhand der charakteristischen chemischen Verschiebung der Kohlenstoffatome C-3 und C-5 (Formelschema VI).
Bei der vorliegenden Verbindungsklasse (1,3-Diole) weisen die Signale der hydroxyltragenden Kohlenstoffatome des syn-Isomers relativ zu den analogen Signalen des anti-Isomers für gewöhnlich eine Tieffeldverschiebung auf. Vergleiche hierzu:

a) F. G. Kathawala et al., Helv. Chim. Acta 1986, 69, 803–805
b) K.-M. Chen et al., Tetrahedron Lett. 1987, 28, 155–158
c) C. Bonini et al., Gazz. Chem. Ital. 1991, 121, 75–80

Das ¹³C-NMR-Spektrum des Rohproduktes belegt demnach, daß in der hier beschriebenen mikrobiellen Reduktion das syn-Isomer gebildet wird.
d) Bestimmung der absoluten Konfiguration und der Enantiomerenreinheit
Da die Konfiguration des Stereozentrums C-3 relativ zum Stereozentrum C-5 bereits durch die ¹³C-NMR-Spektroskopie aufgeklärt ist, beschränkt sich die weitere Analytik auf die Ermittlung der Konfiguration des Stereozentrums C-5. Hierfür wird das Rohprodukt der mikrobiellen Reduktion in das cyclische Derivat (S)-X überführt (Formelschema VII).
Das racemische Derivat rac-X (Formelschema VIII), welches mit der gleichen Methode aus dem Hydroxyketoester rac-II erhalten wird, läßt sich durch HPLC mit chiraler stationärer Phase trennen.
HPLC-Bedingungen: Chiracel OB (DAISO); 25°C; 1 ml/min i-Hexan/i-Propanol (80 20); Detektion bei 210 nm. Retentionszeiten:

(S)-X: 24.7 min

(R)-X: 21.5 min
Die Zuordnung der absoluten Konfiguration der getrennten Enantiomere erfolgt durch Vergleich mit der Retentionszeit einer authentischen Probe des Lactons (S)-X, das analog zum racemischen Derivat rac-X aus dem Hydroxyketon (S)-II (>99% ee) hergestellt wird (Formelschema VIII). Das enantiomerenreine Hydroxyketon (S)-II wird nach einer bekannten Vorschrift erhalten (M. Wolberg, W. Hummel, M. Müller, DE 19857302 A , 1998).
Durch Integration der Signale des Derivats (S)-X, welches aus dem Rohprodukt der mikrobiellen Reduktion hergestellt wurde (Formelschema VII), berechnet sich ein Enantiomerenüberschuß von 99.4%.

Claims

Verfahren zur Reduktion von Hydroxyketocarbonsäuren oder deren Estern mit ganzen Zellen von Lactobacillus, wobei die Ketogruppe zu einer Hydroxygruppe umgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen der Formel 1
umgesetzt werden, wobei A = C=O, CHOΣ, B = C=O, CHOΣ, mit A ≠ B und Σ = H oder Schutzgruppe für die Hydroxyfunktion, R1, R2 = H oder eine Komponente aus der Gruppe Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Aryl, Aralkyl, Cycloalkylalkyl, wobei die Komponenten auch einfach oder mehrfach mit den Heteroatomen Si, N, P, O, S, F, Cl, Br oder I substituiert oder vollständig durch Heteroatome ersetzt sein können. R3 = H, Metallkationen oder eine Komponente aus der Gruppe Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Aryl, Aralkyl, Cycloalkylalkyl, wobei die Komponenten auch einfach oder mehrfach mit den Heteroatomen Si, N, P, O, S, F, Cl, Br oder I substituiert sein können. Y = eine Komponente aus der Gruppe Alkyl, Alkenyl, Alkinyl, Cycloalkyl, Cycloalkenyl, Aryl, Aralkyl, Cycloalkylalkyl, wobei die Komponenten auch einfach oder mehrfach mit den Heteroatomen Si, N, P, O, S, F, Cl, Br oder I substituiert sein können. Ausgeschlossen wird X-CH₂-O-CH₂-, wobei X = Alkyl, Aryl, Cycloalkyl, Aralkyl oder Cycloalkylalkyl sein kann. n = 0–10.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen der Formel 2
oder deren Entantiomere eingesetzt werden, wobei R1, R2, R3 und Y dieselbe Bedeutung wie in Formel 1 haben. Σ = H oder Schutzgruppen für die Hydroxyfunktionen.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß Verbindungen der Formel 3
oder deren Enantiomere eingesetzt werden, wobei R1, R2, R3 und Y dieselbe Bedeutung wie in Formel 1 haben. Σ = H oder Schutzgruppen für die Hydroxyfunktionen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß Lactobacillus kefir oder Lactobacillus brevis oder eine Mischkultur dieser Mikroorganismen eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß es bei einem pH-Wert von 2 bis 10 durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, daß es bei einem pH-Wert von 4 bis 8 durchgeführt wird.