DE3878264T2

DE3878264T2 - Monoacetylierung von diolen mit einem biokatalysator aus corynebakteriumoxidans.

Info

Publication number: DE3878264T2
Application number: DE8888102567T
Authority: DE
Inventors: Frederick Richard Iii Ea Green; Robert James Eastman Olyslager
Original assignee: Genencor International Inc
Current assignee: Danisco US Inc
Priority date: 1987-02-24
Filing date: 1988-02-22
Publication date: 1993-09-02
Anticipated expiration: 2008-02-23
Also published as: JPS63237792A; CA1338783C; EP0280232A3; EP0280232B1; EP0280232A2; ATE85651T1; DE3878264D1

Description

Bei der Herstellung vieler Verbindungen ist es wünschenswert, ein chirales Zentrurn in die Verbindung einzuführen. Derartige stereospezifische Verbindungen sind wichtig, beispielsweise deshalb, weil nur ein Stereoisomer von vielen Verbindungen biologisch aktiv ist. Verfahren zur Einführung eines chiralen Zentrums in eine Verbindung, die direkt oder als Vorläufer für eine andere Verbindung verwendet werden kann, sind infolgedessen vom kommerziellen Standpunkt aus gesehen wichtig. Die Herstellung des Monoacetates eines α, ω-Diols ist ein Beispiel für ein solches Verfahren.
Bei Anwendung nicht-enzymatischer Methoden ist es sehr schwierig, die Monoacetate von Diolverbindungen herzustellen, und zwar insbesondere dann, wenn die Hydroxygruppen ähnlich sind. Gewöhnlich wird das Diacetat erzeugt. Es sind jedoch einige Methoden bekannt, wobei verwiesen wird auf Pochini, Salerno und Ungaro, A New Simple Catalyst for the Synthesis of 1,3-Diols and Their Monoesters from Linear Aliphatic Aldehydes, Synthesis, Band 164, Seite 164, 1975. Nach dieser Literaturstelle werden keine chiralen Verbindungen erzeugt.
Bei der Synthese des mikrobiologischen Wachstumsfaktors (auch bekannt als "(-)-A-Faktor)" oder Biotins, erfolgt während einer der Herstellungsstufen die Einführung eines chiralen Zentrums. Ein solches Verfahren wird von Wang und Sih beschrieben in einer Arbeit mit der Überschrift Bifunctional Chiral Synthons via Biochemical Methods, 4. Chiral Precursors to (+)-Biotin and (-)-A-Factor, Tetrahedron Letters, Band 25, Nr. 4, Seiten 4999-5002 (1984). Nach diesem Verfahren der Literaturstelle wird ein prochirales Diacetat verwendet. (Der Ausdruck "prochiral" bezieht sich auf eine Verbindung, die eine potentielle chirale Verbindung ist, weil sie zu einer chiralen Verbindung wird, indem eine Gruppe verändert wird). Durch die enantioselektive Hydrolyse des prochiralen Diacetates wird eine optisch aktive Monoacetat-Zwischenverbindung erhalten. Das Enzym pankreatische Schweins-Lipase oder PPL wurde zu diesem Zweck verwendet.
Im Falle einer anderen Synthese beschreibt diese Literaturstelle ebenfalls die Verwendung einer Diacetatverbindung als Ausgangsmaterial. Die optisch aktive Zwischenverbindung für Biotin wurde hergestellt durch enzymatische Umwandlung eines prochiralen meso-Diacetoxyesters. Das verwendete Enzym bestand aus Schweinsleberesterase oder PLE.
Eine weitere Literaturstelle beschreibt ein ähnliches Verfahren. In der US-PS 4 415 657 wird ein Verfahren zur Synthese eines optisch aktiven Monoalkylesters der Beta-(S)- Aminoglutarsäure von dem geschätzten Dialkylester der Säure beschrieben. Verwendet werden Kulturbrühen, Zellen oder behandelte Zellen von bestimmten Mikroorganismen. Als mögliche Lieferanten der erforderlichen katalytischen Aktivität werden Corynebacterium sepedonicum und Corynebacterium xerosis erwähnt.
In der US-PS 3 558 431 wird ein Verfahren zur Oxidation von organischen Verbindungen unter Verwendung eines Corynebacteriums beschrieben, bei dem es sich um das bevorzugte Bakterium handelt, das im Falle der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Beim Verfahren dieses Patentes wird Pentaerythritol in Tris(hydroxymethyl)essigsäure durch Fermentation mit dem Organismus überführt. Es werden weder Monoacetate von Diolen noch irgendwelche chirale Verbindungen erzeugt. Der gleiche Mikroorganismus wird in einem ähnlichen Verfahren verwendet, das in der US-PS 3 642 581 beschrieben wird. (Der in dieser Literaturstelle verwendete Mikroorganismus wird als ein Flavobacterium angegeben. Es wird nunmehr jedoch angenommen, daß es sich um ein Corynebacterium handelt).
Weitere Verbesserungen bei der Herstellung von Monoacetaten von Diolen und insbesondere chiralen Verbindungen sind wünschenswert. Im Falle der Zwischenverbindung für den mikrobiellen Wachstumsfaktor sind insbesondere weitere Verbesserungen bezüglich der Ausbeute erwünscht. Die Ausbeute für die chirale Zwischenverbindung von der Diacetatverbindung liegt im Falle der oben erwähnten Literaturstelle lediglich bei 34%. Die Ausbeute bedarf einer Verbesserung, unter Beibehaltung des ausgezeichneten enantiomeren Überschusses (E.Ü.), der nach dem Verfahren dieser Literaturstelle erreicht wird. (96:5).
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Monoacetates von einem Diol bereitgestellt, das die Stufe der Umsetzung des Diols mit einem Ester der Essigsäure in Gegenwart eines Biokatalysators umfaßt, der sich von Corynebacterium oxydans ableitet.
Das Verfahren der Erfindung eignet sich insbesondere für die Herstellung von chiralen Verbindungen von prochiralen Diolen.
Die Verbindungen, die nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, eignen sich als Zwischenverbindungen bei der Synthese von anderen Verbindungen. Beispielsweise läßt sich nach diesem Verfahren das chirale Monoacetat für die synthetische Herstellung des (-)-A-Faktors in hoher Ausbeute herstellen. Diese spezielle Verbindung läßt sich beispielsweise in einer 92%igen Ausbeute mit einem enantiomeren Überschuß von 96:4 herstellen. Dies wird in den folgenden Beispielen veranschaulicht. Das Monoacetat kann weiterhin unter Anwendung üblicher Reaktionen in andere optisch aktive Zwischenverbindungen überführt werden. Beispielsweise kann die verbleibende Hydroxylgruppe überführt werden in eine Halogruppe, z.B. eine Chloro-, Bromo- oder Iodogruppe; eine Azidogruppe; Phthalimidogruppe; Cyanogruppe oder Carboxylgruppe.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung eignet sich für die Monoethylierung einer Vielzahl von prochiralen Diolen. Geeignete Diole lassen sich durch die Formel:
darstellen, worin
R und R' voneinander verschieden sind und ausgewählt werden können aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff; substituierten oder unsubstituierten Alkylgruppen, z.B. Methyl, Propyl, Chlorobutyl, Isopropyl und t-Butyl, Alkoxygruppen, substituiertem oder unsubstituiertem Benzyl, substituierten oder unsubstituierten Arylgruppen, z.B. Phenyl, Chlorophenyl, Naphthyl und substituierten oder unsubstituierten heterocyclischen Gruppen, z.B. Pyridyl oder Chloropyridyl.
Andere geeignete Diole, die keine prochiralen Verbindungen sind, jedoch nach der Lehre der vorliegenden Erfindung monoethyliert werden können, sind beispielsweise 1,4-Butandiol und 1,5-Pentandiol.
Der Biokatalysator, der beim vorliegenden Verfahren verwendet wird, leitet sich von Corynebacterium oxydans ab. Der Ausdruck "leitet sich ab von" bedeutet, daß jede Zusammensetzung verwendet werden kann, die hergestellt wird von dieser Spezies des Mikroorganismus, die die Monoacetylierungsreaktion katalysiert. Zu geeigneten Zusammensetzungen gehören das Kulturmedium, das die Zellen enthält, die gewonnenen Zellen selbst oder Extrakte von den Zellen, welche die erforderliche katalytische Aktivität aufweisen. Das Verfahren braucht nicht in Gegenwart von lebensfähigen Zellen, wie im Falle einer Fermentation, durchgeführt zu werden. Die Zusammensetzung wird als Katalysator für die Reaktion verwendet.
Die Isolierung, Aufbewahrung und Charakterisierung eines typischen Corynebacterium oxydans wird in der vorerwähnten US-PS 3 558 431 beschrieben. Dieser besondere Stamm, ATCC Nr. 21 245 ist der augenblicklich bevorzugte Lieferant des Biokatalysators des vorliegenden Verfahrens. Jedoch können auch andere Stämme dieser Spezies verwendet werden, wie es in den Beispielen veranschaulicht wird.
Wie erwähnt, wird das vorliegende Verfahren mit einer Mischung eines Dioles, eines Esters der Essigsäure und einem Biokatalysator durchgeführt. Zu bemerken ist, daß kein (oder nur sehr wenig) Wasser vorhanden zu sein braucht. Dieses praktisch rein organische Reaktionsmedium ist für Reaktionen dieses Typs ungewöhnlich. Das Wasser, das in typischer Weise mit dem Biokatalysator assoziiert ist, ist ausreichend, obgleich ein Reaktionsmedium, in dem der Ester der Essigsäure mit Wasser gesättigt ist, bevorzugt wird. Dies erfordert lediglich eine geringe Wassermenge.
Ein beliebiger Ester der Essigsäure kann verwendet werden. Typische Beispiele sind Ethyl-, Methyl- und Butylacetat. Ethylacetat wird bevorzugt eingesetzt, da höhere Ausbeuten erhalten werden. Der Ester dient sowohl als Lösungsmittel für die Mischung als auch als Lieferant der Acetylgruppe für die Acetylierung. Es ist als überraschend anzusehen, daß diese Verbindungen als Lieferanten für die Acetylgruppe dienen können, da ähnliche Verbindungen hierfür nicht geeignet sind. In einer ähnlichen Reaktionsmischung sind Verbindungen wie Dimethylcarbonat, Methylpropionat und Ethylformiat nicht geeignet.
Die Reaktion kann gegebenenfalls geringe Mengen anderer Stoffe enthalten. So kann die Reaktionsmischung beispielsweise Natriumbicarbonat enthalten, das die kleine Menge an Säure entfernt, die durch Reaktion von Wasser mit dem Ester der Essigsäure gebildet werden kann. Eine geringe Menge an Säure, vorzugsweise Chlorwassersäure oder Phosphorsäure oder einer Base, vorzugsweise Natriumcarbonat oder Natriumhydroxid, kann ebenfalls zugesetzt, um den pH-Wert einzustellen.
Das Verhältnis der Reaktionskomponenten in der Reaktionsmischung kann sehr verschieden sein. Das Gewichtsverhältnis vom Ester der Essigsäure zum Diol kann zwischen etwa 5:1 und 100:1 liegen. Vorzugsweise liegt der Ester in einem Überschuß vor und das Verhältnis von Ester zu Diol liegt zwischen 30:1 und 20:1. Die Menge an Biokatalysator kann ebenfalls sehe verschieden sein. Im allgemeinen liegt der Biokatalysator in einer Menge von 0,1 bis 10%, vorzugsweise von 1% vor. Vorzugsweise kann Wasser bis zu seinem Sättigungspunkt im Ester vorliegen.
Die Reaktionsbedingungen sind nicht kritisch. Die Temperatur liegt vorzugsweise zwischen etwa 20 und 50ºC. Der pH-Wert liegt vorzugsweise zwischen etwa 5 und 9. Die Reaktionsdauer kann sehr verschieden sein und im Hinblick auf die milde Natur der Reaktionsbedingungen lang andauern. Reaktionszeiten zwischen etwa 18 und 72 h sind typisch.
In den folgenden Beispielen ist die Ausbeute unter Bezugnahme auf die mole des als Ausgangsmaterials verwendeten Diols berechnet worden. Der enantiomere Überschuß oder "E.Ü." wurde bestimmt aus dem H¹-n.m.r.-Spektrum der Mosher's Ester (J. Org. Chem. 34, 2543:1969) der freien Hydroxylgruppen.
Die Gewinnung der gewünschten Verbindung aus dem organischen Reaktionsmedium erfolgte nach üblichen Methoden. Wird die Verbindung als Zwischenverbindung zur Herstellung anderer Verbindungen verwendet, so kann eine Isolierung nicht erforderlich sein.

Herstellung von Corynebacterium oxydans

Corynebacterium oxydans (ATCC 21245) wurde wie folgt gezüchtet:
Es wurden 1700 ml eines Kulturmediums hergestellt aus Glucose (17 g), Hefeextrakt (17 g), Kaliumhydrogenphosphat (3,4 g) und 17 ml einer Salzlösung, hergestellt aus einer 1 l Lösung von
MgSO&sub4;.7H&sub2;O (0,25 g), MnSO&sub4;.7H&sub2;O (0,17 g),
FeSO&sub4;. 7H&sub2;O (0,028 g), NaCl (0,0006 g),
CaCl&sub2;.2H&sub2;O (0,001 g), und ZnSO&sub4;.7H&sub2;O (0,006 g).
Der pH-Wert wurde mittels Kaliumhydroxid auf 7 eingestellt.
Die reine Kultur wurde dazu verwendet, um zwei 25 ml Proben des oben beschriebenen sterilisierten Kulturmediums zu inokulieren, die dann bei 30ºC etwa 15 h lang bei 250 U/min geschüttelt wurde.
Die Kolbeninhalte wurden vereinigt und zur Inokulation von 500 ml des oben beschriebenen sterilisierten Kulturmediums verwendet, das dann bei 30ºC 24 h lang bei 125 U/min geschüttelt wurde.
Die Lösung wurde dann 20 min lang bei 9000 U/min zentrifugiert, worauf das erhaltene Zellen-Pellet bei -20ºC eingefroren oder lyophilisiert wurde.

Monoacetylierung von Diolen

Es wurde ein allgemeines Verfahren zur Überführung von verschiedenen Diolen in ihre entsprechenden monoacetylierten Derivate angewandt; das entsprechende Diol (0,5 g) wurde in 25 ml Ethylacetat gelöst, das 2,0 ml Wasser enthielt, in dem etwa 0,2 g trockene Zellen suspendiert worden waren.
Die erhaltene Reaktionsmischung wurde bei 30ºC bei 300 U/min geschüttelt, bis die Reaktion im wesentlichen vollständig war, was durch gaschromatographische Analyse festgestellt wurde.
Die Zellen wurden abfiltriert, worauf das Filtrat mit gesättigter Natriumbicarbonatlösung gewaschen wurde. Das Lösungsmittel wurde getrocknet und zur Gewinnung des Produktes konzentriert, das durch Chromatographie gereinigt werden konnte. Die Monoacetat-Strukturen wurden durch nuklearmagnetische Resonanzanalyse sowie durch gaschromatographische Analyse bestätigt.
In den Tabellen sind die verschiedenen Diole, die Ausbeuten an monoacetyliertem Produkt und in manchen Fällen ihre optischen Reinheiten aufgeführt.

Beispiel 1-13

Unter Anwendung der oben beschriebenen allgemeinen Methode wurden 12 prochirale Diole in ihre entsprechenden chiralen Verbindungen überführt. Im Falle des Beispieles 1 war die Ausgangsverbindung keine prochirale Verbindung. Der Umwandlungsgrad in das Monoacetat war in jedem Falle ausgezeichnet. Der E.Ü. war in einem Falle so hoch wie 97:3. Die Ergebnisse sind in Tabelle I zusammengestellt.
Das im Falle des Beispieles 9 hergestellte Monoacetat kann zur Herstellung von D-Phenylalanin verwendet werden; das im Falle des Beispieles 10 erzeugte Monoacetat kann zur Herstellung von D-Phenylglycin verwendet werden; das im Falle des Beispieles 11 erzeugte Monoacetat ist ein geeigneter Vorläufer für den (-)-A-Faktor. Die entsprechenden Diole sind 2-Benzyl-1,3-propandiol, 2-Phenyl- 1,3-propandiol sowie 2-(2-Propenyl)-1,3-propandiol. Tabelle I Überführung von Diolen in Monoacetate Beispiel Prozent Umwandlung Reaktionsdauer (Stdn) (Tage)

Beispiele 14-19

Das im vorstehenden beschriebene allgemeine Verfahren wurde angewandt zur Überführung einer Vielzahl von cis-1,2- Bis(hydroxymethyl)cycloalkanen in ihre entsprechenden Monoacetate. Die Ergebnisse sind in der Tabelle II zusammengestellt.
Das im Falle des Beispieles 14 hergestellte Monoacetat ist eine geeignete Vorläuferverbindung zur Herstellung von Pyrethrinen oder chrysanthemischer Säure. Das im Falle des Beispieles 19 hergestellte Monoacetat ist eine geeignete Vorläuferverbindung für Prostaglandine. Tabelle II Umwandlung von Diolen in Monoacetate Beispiel Diol Prozent Umwandlung Reaktionsdauer (Stdn)
* Der enantiomere Überschuß wurde nach Ablauf der Reaktionen berechnet, die in manchen Fällen länger sein können als die aufgeführten Reaktionszeiten.
Obgleich die Ausbeuten im allgemeinen geringer sind als im Falle der linearen Diole, wurden doch unter Verwendung der cyclischen Diole beträchtliche Mengen an Monoacetaten erzeugt.

Vergleichsbeispiel

Es wurde eine Anzahl von Lieferanten des Biokatalysators getestet. Dazu gehörten mehrere verschiedene Proben von Corynebacterium oxydans und eine Anzahl von anderen Mikroorganismen. Diese anderen Mikroorganismen bestanden aus Eschirichia coli (ATCC 11303), Flavobacterium filamentosum (ATCC 31546), Bacillus subtilis (ATCC 31954), Corynebacterium-Spezies, Pseudomonas-Spezies und Brevibacterium- Spezies. Lediglich das Corynebacterium oxydans erwies sich im Falle dieser Auswahl als positiv. Bei den Mikroorganismen handelte es sich um C. oxydans ATCC Nr. 21 245; 53586 und 53587.
Die Reaktionen wurden durchgeführt in Teströhrchen, die 5 ml von 6%igen wäßrigem Ethylacetat enthielten, 100 mg 2,2- Dimethyl-1,3-propandiol und 100 mg von Zellen. Das Vorhandensein des Monoacetates wurde mittels Dünnschichtchromatographie bestimmt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Monoacetates aus einem Diol mit der Stufe der Umsetzung des Diols mit einem Ester der Essigsäure in Gegenwart eines Biokatalysators, der sich von Corynebacterium oxydans ableitet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Diol eine prochirale Verbindung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Diol der folgenden Formel entspricht:

in der

R und R¹ verschieden sind und ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff; substituiertem oder unsubstituiertem Alkyl, Alkoxy, substituiertem oder unsubstituiertem Benzyl, substituiertem oder unsubstituiertem Aryl und substituierten oder unsubstituierten heterocyclischen Resten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Diol 2-Benzyl-1,3- propandiol, 2-Phenyl-1,3-propandiol oder 2-(2-Propenyl)- 1,3-propandiol ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Ester der Essigsäure Ethylacetat ist.

6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Gewichtsverhältnis des Esters der Essigsäure zum Diol bei etwa 5 : 1 bis 100 : 1 liegt.