PL201998B1 - Sposób wytwarzania R-pantolaktonu - Google Patents

Abstract

1. Sposób wytwarzania R-pantoIaktonu na drodze reakcji asymetrycznego cyjanowodorowania aldehydu 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowego cyjanowodorem, w środowisku rozpuszczalnika organicznego, wobec katalizatora enzymatycznego, a następnie poddaniu produktu tej reakcji hydrolizie w środowisku kwaśnym, znamienny tym, że jako katalizator enzymatyczny stosuje się mączkę roślinną zawierającą enzym, a reakcję prowadzi się przy pH od 5,4 do 5,5.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania R-pantolaktonu. R-pantolakton jest kluczowym półproduktem w syntezie pantotenianu wapnia i R-pantenolu - związków posiadających aktywność witaminową (witamina B5). Wymienione związki są szeroko stosowane jako składniki preparatów farmaceutycznych i kosmetycznych, dodatki do żywności oraz do mieszanek paszowych dla zwierząt. Wobec stałego zapotrzebowania, synteza R-pantotenianu wapnia i R-pantenolu, jak również R-pantlaktonu jest wciąż istotnym zagadnieniem badawczym.

Jedna z możliwych metod syntezy R-pantolaktonu opiera się na reakcji asymetrycznego cyjanowodorowania aldehydu 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowego z wytworzeniem R-2,4-dihydroksy3,3-dimetylobutylonitrylu. Hydroliza tego ostatniego w środowisku kwaśnym prowadzi bezpośrednio do R-pantolaktonu.

Katalizatorami reakcji asymetrycznego cyjanowodorowania są między innymi oksynitrylazy enzymy występujące w szeregu roślin. W literaturze opisano ich zastosowanie do syntezy wielu optycznie czynnych cyjanohydryn. Dostępne opisy podają przykłady użycia wyizolowanych oksynitrylaz w postaci buforowanych roztworów o odpowiednim pH, enzymów osadzonych na nośniku, jak również niewyizolowanych enzymów w postaci odtłuaszczonych mączek roślinnych.

W odniesieniu do aldehydu 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowego dostępne są jednak tylko doniesienia, w których przeprowadzono reakcję jego cyjanowodorowania z użyciem wyizolowanej i oczyszczonej R-oksynitrylazy z migdałów (Prunus amygdalus) w postaci roztworu wodnego lub osadzonej na nośniku. Z opisu patentowego nr DE 4,126,580 znana jest reakcja cyjanowodorowania prowadzona w roztworze wodnym (odpowiedni bufor + roztwór enzymu), przy pH w zakresie 3,0-4,4. Podczas reakcji w środowisku wodnym pojawiają się jednak problemy z reakcją niekatalizowaną i racemizacją produktu. W celu zmniejszania wystę powania tych niepożądanych skutków ubocznych konieczne było m.in. stosowanie niskiego pH. Z kolei według patentu DE 9,506,728 reakcja cyjanowodorowania była prowadzona w eterze diizopropylowym, z enzymem osadzonym na nośniku. W tej reakcji stosuje się enzym oczyszczony, przygotowany z zastosowaniem buforu o pH =3,3.

Przygotowanie oczyszczonego enzymu jest skomplikowane technologicznie i kosztowne. W procesie przemysł owym znacznie dogodniejsza był aby moż liwość uż ycia enzymu w postaci mą czki roślinnej. Znane reakcje asymetrycznego cyjanowodorowania katalizowane przez oksynitrylazy w formie mą czki wymagają jednak znacznie wydł uż onego czasu prowadzenia w stosunku do tych z uż yciem wyizolowanego enzymu (kilka dni zamiast kilku godzin). W przypadku aldehydu 3-hydroksy2,2-dimetylopropionowego wydłużenie czasu reakcji wiąże się z istotnymi problemami z uwagi na jego szczególne właściwości tj. znaczną hydrofilowość i tendencję do dimeryzacji. Oznacza to, iż przy wydłużonym czasie reakcji może on ulec dimeryzacji szybciej niż cyjanowodorowaniu. Z tego powodu, w przypadku prowadzenia reakcji w rozpuszczalniku organicznym, stosowano wysoko oczyszczony enzym tak, aby reakcja przebiegła w możliwie krótkim czasie (2h), uniemożliwiającym dimeryzację aldehydu. Konieczne jest przy tym przedestylowanie lub stopienie aldehydu, istniejącego w formie dimeru, tuż przed reakcją w celu przeprowadzenia go w monomer. Dimer nie jest bowiem akceptowany jako substrat przez katalizujący reakcję enzym, który ma określone wymagania odnośnie sterycznej i elektronowej struktury substratów. Zastosowane w znanych metodach niskie pH tj. ~3,3, odpowiada trwałości powstającego α-hydroksynitrylu, który przy wyższych wartościach pH wykazuje tendencję do racemizacji. Jednak w przypadku aldehydu 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowego zastosowanie niskiego pH jest niekorzystne, gdyż sprzyja ono dimeryzacji aldehydu. W przypadku tego aldehydu dimeryzacja polega bowiem na tworzeniu przez dwie cząsteczki wiązań acetalowych i hemiacetalowych, która to reakcja wymaga katalizy kwasowej.

Celem wynalazku było opracowanie takiej metody otrzymywania R-pantolaktonu, w której wyeliminowałoby konieczność stosowania oczyszczonych enzymów i roztworów wodnych.

Sposób wytwarzania R-pantolaktonu według wynalazku charakteryzuje się tym, że aldehyd 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowy poddaje się reakcji asymetrycznego cyjanowodorowania w reakcji z cyjanowodorem wobec katalizatora w postaci mączki roślinnej zawierającej enzym, w rozpuszczalniku organicznym, przy pH od 5,4 do 5,5. Produkt tej reakcji, którym jest R-2,4-dihydroksy-3,3-dimetylobutylonitryl poddaje się następnie hydrolizie w środowisku kwaśnym znanymi metodami.

Korzystnie jako mączkę roślinną stosuje się mączkę zawierającą oksynitrylazę.

Korzystnie jako mączkę roślinną stosuje się mączkę migdałową i/lub mączkę śliwkową i/lub mączkę jabłkową.

PL 201 998 B1

Korzystnie jako rozpuszczalnik organiczny stosuje się etery i estry.

Korzystnie jako rozpuszczalnik organiczny stosuje się eter diizopropylowy

Korzystnie pH reakcji ustala się kondycjonując wstępnie mączkę roślinną z buforem.

Korzystnie stosuje się mączkę w ilości od 0,1 do 2 g/mmol aldehydu 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowego.

Zastosowanie w sposobie według wynalazku środowiska reakcji o ściśle określonym, wyższym niż w stanie techniki pH (5,4-5,5) wpłynęło na zahamowanie przebiegu niekorzystnej dimeryzacji substratu. Zastosowane warunki pozwoliły zarówno przeprowadzić reakcję w czasie 2-4 godzin (optimum pH - szybsza reakcja enzymatyczna) w temperaturze pokojowej, jak również w czasie 24h w temperaturze około 5°C (niska temperatura to mniejsza szybkość reakcji enzymatycznej, ale też i dimeryzacji).

Przedmiot wynalazku został bliżej przedstawiony w przykładach stosowania.

P r z y k ł a d 1,

Umieszczoną w kolbce mączkę migdałową (0,61 g) kondycjonowano przez 15 min. z 0,27 ml buforu cytrynianowego o pH=5,4-5,5. Równocześnie, w celu przeprowadzenia w monomer, stopiono w atmosferze argonu 0,2043 g (0,002 mol) 3-hydroksy-2,2-dimetylopropanalu i rozpuszczono w eterze diizopropylowym (IPE). Roztwór aldehydu 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowego w IPE przeniesiono ilościowo do kolbki z mączką, dodano 0,005 mol cyjanowodoru w postaci 2,94M roztworu w eterze diizopropylowym, a następnie IPE do końcowej objętości 19,4 ml. Prowadzono reakcję asymetrycznego cyjanowodorowania mieszając całość przez 2 h w temperaturze 28°C. Mączkę odfiltrowano na lejku Schotta i przemyto dwukrotnie 5 ml eteru dietylowego. Przesącz zatężono na wyparce otrzymując surowy (R)-2,4-dihydroksy-3,3-dimetylobutylonitryl w postaci lekko żółtego oleju.

Do surowego (R)-2,4-dihydroksy-3,3-dimetylobutyIonitrylu dodano niezwłocznie stężony kwas solny w ilości 1,2-1,5 równoważnika oraz 5-10 ml metanolu etanolu w celu doprowadzenia do homogenności słabo mieszających się faz. Całość mieszano w temperaturze pokojowej przez 16 h, a następnie ogrzewano we wrzeniu przez 4 h. Po ochłodzeniu doprowadzono pH roztworu do wartości 4,4 za pomocą węglanu sodu, a następnie usunięto etanol i większość wody na wyparce, a pozostałość rozpuszczono w eterze dietylowym i suszono siarczanem magnezu. W trakcie rozpuszczania z roztworu może wytrącać się osad soli nieorganicznych (NH4CI oraz NaCI) wytworzonych w trakcie hydrolizy i neutralizacji. Osad MgSO4 odfiltrowano na lejku Schotta i przemyto eterem dietylowym. Przesącz zatężono na wyparce otrzymując (R)-pantolakton w postaci krystalizującego oleju. Wydajność (74,1%) i nadmiar enancjomeryczny (29,4%) produktu oznaczono przy użyciu kapilarnej chromatografii gazowej.

P r z y k ł a d 2.

Umieszczoną w kolbce mączkę śliwkową (0,3 g) kondycjonowano przez 15 min. z 0,3 ml buforu cytrynianowego o pH=5,4-5,5. Równocześnie, w celu przeprowadzenia w monomer, stopiono w atmosferze argonu 0,1021 g (0,001 mol) 3-hydroksy-2,2-dimetylopropanalu i rozpuszczono w eterze diizopropylowym. Roztwór aldehydu 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowego w IPE przeniesiono ilościowo do kolbki z mączką, dodano 2,5 mmol cyjanowodoru w postaci 2,94M roztworu w eterze diizopropylowym, a następnie IPE do końcowej objętości 15 ml. Prowadzono reakcję asymetrycznego cyjanowodorowania mieszając całość przez 24 h w temperaturze 4,5°C. Mączkę odfiltrowano na lejku Schotta i przemyto dwukrotnie 5 ml eteru dietylowego. Przesącz zatężono na wyparce otrzymując surowy (R)-2,4-dihydroksy-3,3-dimetylobutylonitryl w postaci bezbarwnego oleju.

Do surowego (R)-2,4-dihydroksy-3,3-dimetylobutylonitrylu dodano niezwłocznie stężony kwas solny w ilości 1,2-1,5 równoważnika oraz 5-10 ml etanolu w celu doprowadzenia do homogenności słabo mieszających się faz. Całość mieszano w temperaturze pokojowej przez 16 h, a następnie ogrzewano we wrzeniu przez 4 h. Po ochłodzeniu doprowadzono pH roztworu do wartości 4,4 za pomocą węglanu sodu, a następnie usunięto etanol i większość wody na wyparce, a pozostałość rozpuszczono w eterze dietylowym i suszono siarczanem magnezu. W trakcie rozpuszczania z roztworu może wytrącać się osad soli nieorganicznych (NH4CI oraz NaCl) wytworzonych w trakcie hydrolizy i neutralizacji. Osad MgSO4 odfiltrowano na lejku Schotta i przemyto eterem dietylowym. Przes ą cz zatężono na wyparce otrzymując (R)-pantolakton w postaci krystalizującego oleju. Wydajność (50,7%) i nadmiar enancjomeryczny (21,2%) produktu oznaczono przy użyciu kapilarnej chromatografii gazowej.

P r z y k ł a d 3.

Umieszczoną w kolbce mączkę jabłkową (0,9 g) kondycjonowano przez 15 min z 0,3 ml buforu cytrynianowego o pH=5,4-5,5. Równocześnie, w celu przeprowadzenia w monomer, stopiono w atmosferze argonu 0,1021 g (0,001 mol) 3-hydroksy-2,2-dimetylopropanalu i rozpuszczono w eterze diizopropylowym. Roztwór aldehydu 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowego w IPE przeniesiono ilo4

PL 201 998 B1 ściowo do kolbki z mączką, dodano 2,9 mmol cyjanowodoru w postaci 2,94M roztworu w eterze diizopropylowym, a następnie IPE do końcowej objętości 15 ml Prowadzono reakcję asymetrycznego cyjanowodorowania mieszając całość przez 24 h w temperaturze 4,5°C. Mączkę odfiltrowano na lejku Schotta i przemyto dwukrotnie 5 ml eteru dietylowego. Przesącz zatężono na wyparce otrzymując surowy (R)-2,4-dihydroksy-3,3-dimetylobutylonitryl w postaci bezbarwnego oleju.

Do surowego (R)-2,4-dihydroksy-3,3-dimetylobutylonitrylu dodano niezwłocznie stężony kwas solny w ilości 1,2-1,5 równoważnika oraz 5-10 ml etanolu w celu doprowadzenia do homogenności słabo mieszających się faz Całość mieszano w temperaturze pokojowej przez 16 h, a następnie ogrzewano we wrzeniu przez 4 h. Po ochłodzeniu doprowadzono pH roztworu do wartości 4,4 za pomocą węglanu sodu, a następnie usunięto etanol i większość wody na wyparce, a pozostałość rozpuszczono w eterze dietylowym i suszono siarczanem magnezu. W trakcie rozpuszczania z roztworu może wytrącać się osad soli nieorganicznych (NH4CI oraz NaCl) wytworzonych w trakcie hydrolizy i neutralizacji. Osad MgSO4 odfiltrowano na lejku Schotta i przemyto eterem dietylowym. Przes ą cz zatężono na wyparce otrzymując (R)-pantolakton w postaci krystalizującego oleju. Wydajność (49,4%) i nadmiar enancjomeryczny (48,0%) produktu oznaczono przy użyciu kapilarnej chromatografii gazowej.

Claims (7)

1. Sposób wytwarzania R-pantoIaktonu na drodze reakcji asymetrycznego cyjanowodorowania aldehydu 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowego cyjanowodorem, w środowisku rozpuszczalnika organicznego, wobec katalizatora enzymatycznego, a następnie poddaniu produktu tej reakcji hydrolizie w ś rodowisku kwaś nym, znamienny tym, ż e jako katalizator enzymatyczny stosuje się mą czkę roś linną zawierającą enzym, a reakcję prowadzi się przy pH od 5,4 do 5,5.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako mączkę roślinną stosuje się mączkę zawierającą oksynitrylazę

3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że stosuje się mączkę migdałową i/lub mączkę śliwkową i/lub mączkę jabłkową.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mączkę roślinną stosuje się według ilości od 0,1 do 2 g aldehydu 3-hydroksy-2,2-dimetylopropionowego.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako rozpuszczalnik organiczny stosuje się etery lub estry.

6. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że jako rozpuszczalnik organiczny stosuje się eter diizopropylowy

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że pH reakcji ustala się kondycjonując wstępnie mączkę roślinną z buforem.