DE4009891A1

DE4009891A1 - Verfahren zur herstellung von optisch aktiven alkoholen und optisch aktiven kohlensaeurediestern mit hilfe von lipasen

Info

Publication number: DE4009891A1
Application number: DE19904009891
Authority: DE
Inventors: Guenter Erich Prof Dr Jeromin
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1990-03-28
Filing date: 1990-03-28
Publication date: 1991-10-02

Description

Die Erfindung betrifft ein neues Verfahren zur Herstellung von optisch aktiven Alkoholen und optisch aktiven Estern der Kohlensäure mit Hilfe von Lipasen insbesondere Pankreas Lipase.

Es ist bekannt, daß sich optisch aktive Alkohole und optisch aktive Ester mit Hilfe von Lipasen herstellen lassen. Bei den bekannten Verfahren werden dabei die Racemate von Fettsäureestern der entsprechenden Alkohole mit Chiralitätszentrum in Gegenwart eines wäßrigen Puffers mit Hilfe einer Lipase hydrolytisch gespalten. Dabei kommt es in vielen Fällen zu einer bevorzugten Spaltung von einem der beiden enantiomeren Ester, so daß das Produkt ein Gemisch aus einem Alkohol und einem Ester darstellt.

Je nach Reaktionsführung und Höhe des hydrolytischen Umsatzes, erhält man gute bis sehr gute optische Ausbeuten von Alkohol oder/und Ester. Um die Reaktion bei einem bestimmten pH-Wert konstant zu halten, muß dieser durch ständige Zugabe einer bestimmten Menge einer Base (beispielsweise wäßrige Natronlauge) nachgestellt werden, da durch die fortschreitende enzymatische Hydrolyse Säure frei wird und den pH- Wert zu unerwünscht niedrigen pH-Werten verschiebt. Dieses Nachstellen des pH-Wertes der Reaktionslösung besitzt aber die folgenden Nachteile:

1. Die Reaktionslösung muß ständig überwacht werden um den pH-Wert anzupassen.
2. Es muß eine starke Base zugetropft werden. Diese starke Base führt beim Zutropfen in der Reaktionslösung lokal zu extrem hohen pH-Werten, die das Enzym schädigen und damit denaturieren können.
3. Zu der Reaktionslösung wird nochmals in nicht unerheblicher Menge Flüssigkeit in Form von wäßriger Base zugeführt, was bedeutet, daß die Raumzeitausbeute schlechter wird.

Diese beschriebenen Nachteile werden durch das Verfahren gemäß den Ansprüchen beseitigt. Außerdem besitzt das Verfahren gemäß den Ansprüchen weitere Vorteile. Das Verfahren gemäß den Ansprüchen erlaubt es zusätzlich optisch aktive Alkohole und optisch aktive Ester herzustellen die bislang nach bekannten Verfahren nicht oder nur schwer zugänglich waren. Dies war überraschend.

Es wurde gefunden, daß sich Ester der Kohlensäure mit Lipasen aus Pankreas und Pseudomonas sp. spalten lassen, ohne daß der pH-Wert ständig kontrolliert und ständig mit einer Base nachgestellt werden muß.

Bei der enzymatischen Hydrolyse eines Kohlensäurediesters entstehen zunächst ein Alkohol und ein Monoester der Kohlensäure, der im Verlaufe der Reaktion aber zerfällt in CO₂ und ein weiteres Molekül Alkohol. Die entstehende Kohlensäure läßt den pH-Wert zunächst auf ca. pH=5-6 absinken, ein weiteres Absinken des pH-Wertes ist aber nicht zu befürchten, da sich das System nach einiger Zeit von selbst puffert, derart, daß überschüssiges CO₂ während der Reaktion ständig entweicht. Es wurde in einigen Fällen sogar wieder ein Ansteigen des pH-Wertes gegen Ende der Reaktion auf seinen Ausgangswert beobachtet.

Das entstehende CO₂ stellt zudem vorteilhafterweise ein Schutzgas dar. Bei längeren Reaktionszeiten ist die Gefahr einer mikrobiellen Kontamination der Reaktionslösung und damit ein vorzeitiger Abbau des Enzyms durch Fremdproteasen verringert.

Durch geringe Menge einer Base kann in der Reaktionslösung zudem leicht ein Kohlensäure/Bicarbonat- Puffersystem aufgebaut werden.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kommen für die enzymatische Hydrolyse folgende Kohlensäureester der allgemeinen Formel 1 zur Anwendung:

Es handelt sich um gemischte Kohlensäureester. R¹ stellt einen Alkylrest dar, ohne ein chirales Zentrum, R² ist ein Alkyl, Cycloalkyl oder Heterocycloalkylrest mit oder ohne Substituenten aber mit mindestens einem Chiralitätszentrum. Diese Ether sind nach bekannten Verfahren leicht herzustellen, wie beispielsweise aus den billigen Chlorameisensäureestern und den für die enantiomere Spaltung vorgesehenen racamischen Alkoholen R²-OH.

Man kann aber auch von Phosgen ausgehen, indem man dieses zuerst mit den racemischen Alkoholen R²-OH umsetzt und dann diesen Chlorameisensäureester mit einem normalen Alkylalkohol R¹-OH reagieren läßt. In beiden Fällen gelangt man zu den gewünschten gemischten Kohlensäureester.

Beispiele für R¹: Methyl, Ethyl, Propyl, Butyl, Pentyl, Hexyl, Heptyl, Octyl, Dodecyl, Allyl.

Beispiele für R²:

R²-OH kann ein beliebiger primärer racemischer Alkohol sein. Er kann offenkettig oder cyclisch sein, wobei der Ring auch heterocyclisch sein kann, mit Sauerstoff, Stickstoff, Schwefel oder Phosphor als Heteroatome. Dabei kann das chirale Zentrum der primären OH-Gruppe direkt benachbart sein, es kann aber auch weiter entfernt liegen. Auch stört die Anwesenheit weiterer funktioneller Gruppen, wie beispielsweise eine sekundäre oder tertiäre Alkoholgruppe, oder ein Amin, die Reaktion nicht in jedem Falle. Diese Gruppen reagieren zwar ebenfalls mit dem Chlorameisensäureester, diese Bindungen werden aber bei der enzymatischen Hydrolyse nicht oder nur langsam von dem Enzym angegriffen.

Bei dem Verfahren gemäß den Ansprüchen setzen sich bevorzugt Ester von primären Alkoholen um.

Veresterte sekundäre Alkoholgruppen setzen sich nicht oder nur sehr langsam um.

Dieser Befund war überraschend. Nach den bisher bekannten Verfahren der enzymatischen Hydrolyse von Estern aus Fettsäuren (z. B. Essigsäure, Buttersäure) und den entsprechenden racemischen Alkoholen, reagieren sowohl Ester aus primären als auch aus sekundären Alkoholen leicht mit den Enzymen.

Beispielsweise reagiert der Essigsäure-1-phenylethylester sehr leicht mit Lipase aus Pseudomonas sp. (Lit.: M.P. Schneider et al., J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1988, 598).

Setzt man dagegen den Kohlensäuremethyl-1-phenylethylester mit Pseudomonas Lipase oder Pankreas Lipase um, so erhält man nach 30 Stunden nur einen geringen Umsatz von ca. 5%.

Aus diesem Grunde war es nicht vorhersehbar, daß im Gegensatz dazu, die enzymatische Hydrolyse der Kohlensäureester gemäß den Ansprüchen leicht, und mit guter Enantioselektivität erfolgt.

In vielen Fällen liefert die enzymatische Hydrolyse von Estern aus primären Alkoholen und Fettsäuren nach bekannten Verfahren optisch inaktives Produkt. Hydrolysiert man beispielsweise den Essigsäureester des Tetrahydrofurfurylalkohols nach bekanntem Verfahren mit Pankreas Lipase, erhält man lediglich optisch inaktive Produkte. Das gleiche Ergebnis erhält man mit dem Buttersäureester des Tetrahydrofurfurylalkohols (Lit.: Whitesides et al., J. Am. Chem. Soc. 1984, 106, 7250).

Setzt man dagegen Kohlensäure-ethyl-tetrahydrofurfurylester ein, und verfährt nach dem Verfahren gemäß den Ansprüchen so erhält man als Produkte optisch aktiven Tetrahydrofurfurylalkohol und den optisch aktiven Kohlensäure-ethyl-tetrahydrofurfurylester.

Die Reaktionen werden bei einer Temperatur von 20-60°C, vorzugsweise 37-40°C durchgeführt. Zunächst löst man das Enzym in der wäßrigen Phase auf und fügt dann das Substrat hinzu. Man rührt den Ansatz solange bis der gewünschte Umsatz erreicht ist. Der Verlauf der Reaktion kann chromatographisch verfolgt werden.

Als Reaktionsmedium kann ein Puffer dienen, wie beispielsweise der oft verwendete Phosphatpuffer. Es kann aber auch nur Wasser eingesetzt werden. Ein Zusatz von Magnesium-Ionen zu der Lösung kann auf das Enzym vorteilhaft wirken. Im gleichen Sinne wirkt auch der Zusatz von etwas Phosphat.

Die so gewonnenen optisch aktiven Alkohole und optisch aktiven Ester stellen wertvolle organische Zwischenprodukte dar.

Beispiel 1

70 g (0,4 mol) Kohlensäure-ethyl-tetrahydrofurfurylester werden zu einer Lösung von 7,0 g Pankreas Lipase in 164 g Phosphatpuffer (pH 7,7) dem man eine Spatelspitze Magnesiumchlorid zufügt, gegeben. Dann wird bei 40°C kräftig gerührt. Der pH-Wert sinkt dabei zunächst bis auf pH=5,8 ab, steigt aber gegen Ende der Reaktion auf pH=7 an. Nach 26 Stunden wird die Reaktion abgebrochen, indem man 30 ml Dichlormethan hinzugibt, und die wäßrige Lösung unter Hinzufügen von festem NaCl sättigt. Die Phasen werden im Scheidetrichter getrennt, und die wäßrige Lösung nochmals viermal mit je 60 ml Dichlormethan extrahiert.

Die organischen Phasen werden vereinigt und über Natriumsulfat getrocknet. Das Trockenmittel wird abfiltriert und das Lösungsmittel abgedampft. Es bleibt ein Rohprodukt von 39 g mit einem Drehwinkel von +0,7°.

Rektifikation des Rohproduktes ergab 18,7 g Tetrahydrofurfurylalkohol (96-106°C/40 mm) mit einem Drehwert von α²⁰=-0,12°.

17,3 g Kohlensäure-ethyl-tetrahydrofurfurylester (143-146°/20 mm) mit einem Drehwert von α²⁰=+3,96°.

Beispiel 2

10 g (0,515 mol) Kohlensäure-methyl-(2-phenylpropyl)ester werden zu einer Lösung von 5,0 g Pankreas Lipase und 0,2 g Magnesiumchlorid in 100 ml Phosphatpuffer (pH7) gegeben. Anschließend rührt man bei 37°C. Die Gasentwicklung kann über einen Blasenzähler beobachtet werden. Der pH-Wert stellt sich nach ca. 2 Stunden bei etwa pH=6 ein.

Nach 23 Stunden wird die Reaktion unterbrochen indem man 60 ml Dichlormethan hinzugibt und die Produkte ausschüttelt. Dies wird einmal wiederholt mit ebenfalls 60 ml Dichlormethan.

Zwecks Beseitigung von Enzym und Wasser, wird die vereinigte organische Phase zentrifugiert, das überstehende Wasser und Enzym abdekantiert und die organische Phase über Natriumsulfat getrocknet. Nach dem Abfiltrieren des Trocknungsmittels wird die organische Phase eingedampft. Es hinterbleiben 7 g Rohprodukt mit einem Drehwert von -5,46°.

Das Rohprodukt wurde Säulenchromatographiert (Kieselgel 60, Petrolether/Essigsäureethylester 5 : 2 v/v),

Ausbeute Ester: 3,64 g (45,3%), [α]=0° (c=2, CHCl₃).Ausbeute Alkohol: 3,22 g (52,7%), [α]=-9,05° (c=2, CHCl₃).

Beispiel 3

10 g (0,515 mol) Kohlensäure-methyl-(2-phenylpropyl)ester werden zu einer Lösung von 5,0 g Pankreas Lipase, 200 mg Magnesiumchlorid und 200 mg Kaliumdihydrogenphosphat in 100 ml dest. Wasser gegeben (eingestellt auf pH=7). Anschließend wird bei 37°C kräftig gerührt. Nach zwei Stunden stellt sich der pH-Wert auf etwa pH=5,9 ein.

Die Aufarbeitung erfolgt nach 22,5 Stunden wie in Beispiel 2 beschrieben.

Es wurden 6,5 g Rohprodukt erhalten α₂₀=-3,51°.

Ausbeute Alkohol: 2,7 g (51,0%), [α]=-7,72° (c=2, CHCl₃).Ausbeute Ester: 3,33 g (44,0%), [α]=0°. (c=2, CHCl₃).

Beispiel 4

40 g (0,206 mol) Kohlensäuremethyl-(2-phenylpropyl)ester werden zu einer Lösung von 10,0 g Pankreas Lipase in 150 ml Phosphatpuffer (pH=7) gegeben und die Mischung bei 37°C kräftig gerührt.

Nach 27 Stunden stoppt man die Reaktion durch Zugabe von 100 ml Dichlormethan, trennt die Phasen und schüttelt die wäßrige Phase erneut mit 100 ml Dichlormethan aus. Die vereinigten Dichlormethanphasen werden zwecks Entfernung von Enzymresten und Wasser zentrifugiert. Das überstehende Wasser und das Enzym werden dekantiert und die organische Phase über Natriumsulfat getrocknet. Nach dem Abfiltrieren des Natriumsulfates, wird das Dichlormethan abgedampft und der Rückstand im Wasserstrahlvakuum bei 10 mm Hg destilliert.

1. Fraktion:
2-Phenylpropanol im Gemisch mit Ester
Kp 109-113°C/10 mm
Ausbeute: 7,5 gNach erneuter Destillation wurde 2-Phenylpropanol mit einem [α]=-15,88° (c=2, CHCl₃) erhalten (2,5 g, 17,8%)

2. Fraktion:
Zwischenlauf, Gemisch aus Alkohol und Ester

3. Fraktion:
Kohlensäure-methyl-(2-phenylpropylester)
Kp 131-132°C/10 mm
Ausbeute: 11,1 g[α]=0°

Verseifung des Esters

2,15 g Ester aus der 3. Fraktion wurden in 50 ml Methanol gelöst und mit 0,76 g Kaliumcarbonat fünf Stunden bei 20°C gerührt. Nach dem Abdampfen des Methanols wurde der Rückstand mit 20 ml CHCl₃ aufgenommen, mit Wasser versetzt und ausgeschüttelt. Die Phasen wurden getrennt, die organische Phase wurde mit Natriumsulfat getrocknet. Nach dem Abfiltrieren des Trocknungsmittels wurde das Chloroform abgedampft.

Ausbeute: 1,5 g, [α]=+5,3° (c=2, CHCl₃)

Vergleichsbeispiel

60 g (0,42 mol) Essigsäuretetrahydrofurfurylester werden zu einer Lösung von 6 g Pankreas-Lipase in 140 ml Phosphatpuffer (pH7) gegeben und bei 40°C kräftig gerührt. Der pH-Wert wird während der Reaktion nach bekannten Verfahren, durch Zutropfen von 1 molarer Natronlauge auf pH=7,7 konstant gehalten.

Nach 57 Stunden waren erst 60 ml Natronlauge (28,6% d.Th.) verbraucht. Die Reaktion wurde durch Zugabe von 50 ml Dichlormethan gestoppt.

Anschließend wurde noch zweimal mit 50 ml Dichlormethan ausgeschüttelt.

Die organischen Phasen wurden vereinigt und mit Natriumsulfat getrocknet. Nach dem Abfiltrieren des Trocknungsmittels, wurde das Dichlormethan abgedampft. Es hinterblieben 46,8 g Rohprodukt, welches keine optische Drehung zeigte.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von optisch aktiven Alkoholen und optisch aktiven Kohlensäurediestern, dadurch gekennzeichnet, daß Racemate von Kohlensäurediestern mit Lipasen bei 20°C-60°C umgesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlensäurediester die folgende allgemeine Formel besitzen und somit gemischt sind, wobei ein Rest (R¹) einen nichtchiralen Alkylrest darstellt, während der andere Rest (R²) mindestens ein optisch aktives Zentrum besitzt. R² kann aus einem Alkyl-, Cycloalkyl- oder Heterocycloalkylrest, gegebenenfalls mit Substituenten bestehen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydrolyse der Ester mit Pankreas Lipase oder Lipasen aus Pseudomonas sp. durchgeführt werden, bevorzugt aber Pankreas Lipasen.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionen bei einem pH-Wert von 5 bis 7,7 durchgeführt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zugabe von Basen zu der Reaktionslösung ein Kohlensäure/ Bicarbonat-Puffersystem erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktion ohne Zusatz von Basen durchgeführt wird.