DE69005121T2

DE69005121T2 - Verfahren zur herstellung von aryl-alkandiolen mit hoher optischer reinheit.

Info

Publication number: DE69005121T2
Application number: DE69005121T
Authority: DE
Inventors: Neil Boaz
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Chemical Co
Priority date: 1989-09-25
Filing date: 1990-09-17
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2010-09-18
Also published as: DE69005121D1; EP0494203A1; CA2065433A1; WO1991004334A1; EP0494203B1; CA2065433C; US4921798A; JPH05500754A

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung betrifft die Herstellung von organischen Verbindungen in hoher optischer Reinheit. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform betrifft die Erfindung die Herstellung von optisch reinen oder praktisch optisch reinen 1-Phenyl-1,3-propandiolen. Das Verfahren der Erfindung umfaßt die Anwendung einer biokatalytischen Synthese anstelle einer der klassischen Zerlegungs- oder Spaltungsmethoden des Standes der Technik. Genauer gesagt, umfaßt das Verfahren die Verwendung eines biologischen Materials, wie z.B. eines Enzyms zur Hydrolyse von einem der optischen Isomeren in einer racemischen Mischung. Sowohl das Produkt der enzymatischen Umsetzung wie auch das nicht umgesetzte Enantiomer sind als chemische Zwischenverbindungen für die Herstellung von anderen Verbindungen geeignet, die eine hohe optische Reinheit aufweisen.

Hintergrund der Erfindung

Klassisch gesehen schließt die Zerlegung einer racemischen Mischung in Enantiomere die Umwandlung des Racemates in eine Mischung von Diastereomeren ein. Die Umwandlung erfordert die Verwendung eines optisch aktiven Reagens. Diastereomere haben mehr als ein chirales Zentrum und sind keine Spiegelbilder. Infolgedessen haben sie unterschiedliche achirale Eigenschaften, z.B. eine unterschiedliche Löslichkeit, was es ermöglicht, sie zu trennen.
Die Majorität der Zerlegungen oder Spaltungen, die durchgeführt wurden, schließt die Umsetzung von organischen Basen mit organischen Säuren unter Bildung von Salzen ein. Wünscht beispielsweise ein Fachmann die Zerlegung einer racemischen Mischung einer organischen Säure, so setzt er die Mischung mit einer optisch aktiven Base um, wie beispielsweise Chinin o.dgl., unter Herstellung der entsprechenden Mischung von Salzen. Die Salze in der Mischung werden unterschiedliche Eigenschaften haben, einschließlich unterschiedlicher Löslichkeiten. Infolgedessen können sie durch fraktionierte Kristallisation voneinander getrennt werden. Nachdem die Trennung stattgefunden hat, kann die optisch aktive Säure von jedem Salz wiedergewonnen werden durch Umsetzung mit einer starken Mineralsäure, welche die schwächere organische Säure verdrängt. Wenn das Salz durch wiederholte Umkristallisationen gereinigt worden ist, um Spuren des anderen Diastereomeren zu entfernen, so wird die Säure in optisch reiner Form wiedergewonnen.
Die Zerlegung von organischen Basen wird durch eine Umkehrung des Prozesses durchgeführt. In diesen Fällen schließt sich der Reaktion einer optisch aktiven Säure mit der racemischen Base eine wiederholte fraktionierte Kristallisation an, um die erhaltenen diastereomeren Salze zu trennen. Die Umsetzung einer starken Base mit dem gereinigten Salz verdrängt die schwächere Base, die zur Salzbildung verwendet wurde.
Die Zerlegung von Alkoholen stellt ein schwerwiegendes Problem dar. Alkohole sind keine starken Säuren oder Basen. Infolgedessen können sie nicht direkt durch Salzbildung zerlegt werden. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, werden die Alkohole chemisch an eine Säure gebunden, die ein Salz bilden kann. Wird die Säure nicht länger benötigt, so wird sie entfernt. Ein solches Zerlegungsverfahren ist schwierig, teuer und zeitraubend. Infolgedessen besteht ein Bedürfnis nach verbesserten Methoden für die Zerlegung von racemischen Mischungen von Alkoholen. Die vorliegende Erfindung befriedigt dieses Bedürfnis.
Eine chemoenzymatische Synthese ist eine präparative Strategie, bei der chemische und biologische Stufen in einer Reaktionsfolge angewandt werden. Die biokatalytischen Reaktionen wandeln eine organische Verbindung durch Verwendung von Enzymen in eine andere Verbindung um, entweder isoliert oder als Teil eines biologischen Systems. Biokatalysatoren sind insbesondere geeignet für die Einführung einer chiralen Spezifität in eine Reaktionsreihe.
Der Hauptnachteil von biokatalytischen Systemen besteht in einer nicht voraussehbaren Substrat-Spezifität aufgrund mangelnder Kenntnisse betreffend der sterischen Erfordernisse der aktiven Stelle des Enzyms. Ferner können sich Komplikationen ergeben durch eine Inhibierung des Enzyms, die verursacht wird entweder durch das Substrat oder das Produkt.
Bezüglich der vorliegenden Erfindung war die Anmelderin vor die Aufgabe gestellt, optisch reine Diole herzustellen. Diese Diole sind keine starken Säuren oder Basen; infolgedessen ist, wie im vorstehenden ausgeführt, die Zerlegung einer racemischen Mischung solcher Materialien eine schwierige Aufgabe. Weiterhin haben die Moleküle, die von Interesse sind, eine hydrophile Gruppe, die an einem Kohlenstoffatom in alpha-Position zu einer Phenylgruppe substituiert ist. Bis zur vorliegenden Erfindung war nicht bekannt, ob Lipase von Pseudomonas fluorescens (oder einem ähnlichen Enzym) einen Estervorläufer von einem solchen Diol akzeptieren und in einer Hydrolysereaktion umwandeln würde. Es wurde nun gefunden, daß das Enzym auf ein solches Substrat anspricht. Diese Erkenntnis war im Hinblick auf den Stand der Technik völlig überraschend.
Weiterhin wurde gefunden, daß das Reaktionsprodukt das Enzym nicht in einem Ausmaß vergiftet, das die Verwendung des Enzyms in einem verwertbaren Zerlegungsverfahren verhindern würde. Zusätzlich wurde eine Reihe von Reaktionsbedingungen aufgefunden, die es ermöglichen, die gewünschten Diole in hoher optischer Reinheit herzustellen. Weiterhin wurde eine elegante chemische Synthese zur Herstellung eines racemischen Esters aufgefunden, der in der Reaktionsstufe verwendet wird, in der das Enzym angewandt wird. Diese Synthesestufe führt zu einer nahezu quantitativen Ausbeute des Substrates in einer Form, die keine Reinigung erfordert, bevor es der Einwirkung des Enzyms ausgesetzt wird. Im Hinblick auf diese Erkenntnisse ist davon auszugehen, daß die chemienzymatische Synthese der Anmelderin einen wesentlichen Fortschritt gegenüber dem Stande der Technik darstellt.
Sterische Modell mit aktiven Stellen sind für verschiedene Hydrolaseenzyme bekannt. Unter diesen befindet sich die Lipase von Pseudomonas fluorescens; vgl. Laumen, K.E., Doktorarbeit, Universität von Wuppertal, BRD, 1987. Das Enzym ist funktionell identisch mit der Lipase, die von Pseudomonas Novo Sp. ATCC 21 808 isoliert worden ist und ist ebenfalls identisch oder funktionell identisch mit dem Enzym, das von der Anmelderin bei den durchgeführten Arbeiten verwendet wurde, die zur Entwicklung dieser Erfindung führten.
Das Modell mit der aktiven Stelle, das von Laumen bereitgestellt wurde, enthält einen Ester-reagierenden Serinhydroxylanteil, ein hydrophobes Teil (pocket), das einen großen lipophilen Substituenten bindet, sowie eine Nische, die lediglich ein Wasserstoffatom zu akzeptieren vermag, wie es in der Zeichnung für Phenylacetat dargestellt ist. Weiterhin haben die Arbeiten von Laumen gezeigt, daß das Enzym für seine Aktivität eine kleinen hydrophoben Substituenten erfordert, der an das chirale Kohlenstoffatom im Substrat gebunden ist.
Das Modell mit der aktiven Stelle ist anwendbar auf acyclische wie auch cyclische Verbindungen.
Laumen und Mitarbeiter, J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1988, Seiten 598-600 beschreiben die Herstellung von bestimmten sekundären Alkoholen in hoher optischer Reinheit unter Verwendung der Lipase von einer Pseudomonas Spezies. Die Lipase ist das gleiche oder in funktioneller das gleiche Enzym, das in der Erfindung der Anmelderin verwendet wurde.
Laumen und Mitarbeiter, J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1988, Seiten 1459-1461 diskutieren ferner die Herstellung bestimmter sekundärer Alkohole in hohen chemischen und optischen Ausbeuten; die offenbarte Methode verwendet die vorerwähnte Esterhydrolase und Vinylacetat als Acyldonor.
Xie und Mitarbeiter, J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1988, Seiten 966-967 beschreiben die Hydrolyse von sechs- und sieben-gliedrigen Ringacetaten unter Verwendung der Lipase von Pseudomonas fluorescens.
Wang und Mitarbeiter beschreiben in Tetrahedron Letters, Band 30, (1989), Seiten 1917-1920 eine Synthese von Cyanohydrinverbindungen unter Verwendung einer enzymatischen Veresterung.
Manzocchi und Mitarbeiter in J. Chem. Soc. Perkin Trans. I, 1987, (Seiten 2753-57) und Deol und Mitarbeiter in Aust. J. Chem., 1976, (Seiten 2459-67) beschreiben die umständliche Herstellung von chiralen Verbindungen unter Anwendung von Hefe-Fermentationen.
Mukayama und Mitarbeiter in Chemistry Letters, Seiten 813- 816, (1985) sowie Soai und Mitarbeiter in J. Chem. Soc. Chem. Commun., 1985, Seiten 138-139 beschreiben die chemische Synthese von chiralen Verbindungen.

Beschreibung der Erfindung

Gemäß einer hoch bevorzugten Ausführungsform betrifft diese Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von optisch reinen und praktisch optisch reinen 1-Phenyl-1,3-propandiolen. Das Verfahren kann zur Herstellung von beiden optischen Isomeren dieser Substanz in hoher optischer Reinheit angewandt werden. Das Verfahren der Anmelderin benutzt nicht den in klassischer Weise in der organischen Chemie angewandten Zerlegungstyp. Statt dessen wird erfindungsgemäß eine auf einer Hydrolase basierende biokatalytische Synthese angewandt, um eine Stereospezifität in ein Reaktionsschema einzuführen. Auf diese Weise werden die umständlichen und kostspieligen Charakteristika von klassischen Zerlegungstechniken vermieden, wie auch die schwierigen Isolationen, geringe Produktkonzentrationen und unberechenbaren Mutationen, die bei einem Fermentationsprozeß auftreten. Das Verfahren der Erfindung kann auf die Herstellung von anderen optisch reinen Arylalkylendiolen angewandt werden.
Obgleich sich nicht auf irgendeine Theorie festgelegt werden soll, ist doch anzunehmen, daß es vier wesentliche Charakteristika der aktiven Stellen des Pseudomonas-Enzyms, die die Reaktivität und Selektivität der Hydrolysereaktion, die in dieser Erfindung angewandt wird, beeinflussen. Diese Charakteristika sind:
(1) die Reaktionsstelle - d.h. die Stelle im Enzym, wo das Enzym-Serinhydroxyl mit dem Estercarbonyl des Reaktanten reagiert,
(2) die große lipophile "Tasche" des Enzyms,
(3) die kleine lipophile Bindungsstelle und
(4) die Nische, die lediglich ein Proton akzeptiert, das an das chirale Kohlenstoffatom des Reaktanten gebunden ist.
Zum gegenwärtigen Zeitpunkt ist über diese vier Enzymcharakteristika oder wie sie miteinander reagieren nicht viel bekannt. Infolgedessen besteht im Falle von neuen Substraten (wie solchen, wie sie von der Anmelderin angewandt werden) eine ungenügende Basis, um vorauszusagen, wie strukturelle Substratvariationen die enzymatische Reaktivität und/oder Selektivität beeinflussen. Infolgedessen war das Verfahren der Anmelderin aus dem Stande der Technik voraussehbar.
Um die Erfindung zu veranschaulichen, wird die Herstellung von optisch reinem S-1-Phenyl-1,3-propandiol durch die Reaktionssequenz der Anmelderin im folgenden schematisch dargestellt: Lipase Umkristallisation optisch rein Ausbeute Gesamtausbeute

REAKTIONSSCHEMA (A)

Ph = Phenyl
Et = Ethyl
THF - Tetrahydrofuran
Die angegebenen Ausbeute-Prozentsätze sind illustrativ und nicht begrenzend.
Die Produkte des erfindungsgemäßen Verfahrens, wie solche, die durch das Schema (A) angegeben werden, sind als chemische Zwischenverbindungen geeignet. Spezieller ausgedrückt können sie zur Herstellung von Verbindungen verwendet werden, die eine hohe optische Spezifität aufweisen. Derartige Herstellungsverfahren sind hoch erwünscht, beispielsweise auf dem Gebiet der pharmazeutischen Synthese, wo eine optische Form eines Arzneimittels aktiv sein kann und die andere nicht. In solchen Fällen ist es hoch erwünscht, das aktive optische Isomer herzustellen und die Bildung des inaktiven Enantiomeren zu vermeiden oder auf ein Minimum zu beschränken. Ein solches stereospezifisches Verfahren kann unter Verwendung eines Produktes dieser Erfindung durchgeführt werden.
Im Falle dieser Erfindung bedeutet "praktisch optisch rein" eine optische Reinheit, die äquivalent ist einem mindestens etwa 85%igen enantiomeren Überschuß (ee), und der Ausdruck "optisch rein" bezieht sich auf eine optische Reinheit von 98% ee oder größer.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Figur auf Seite 105 der Doktorarbeit von Laumen, die oben zitiert wurde, ist eine Darstellung des eine aktive Stelle aufweisenden sterischen Modelles (Stand der Technik) für die Lipase von Pseudomonas fluorescens. Die aktive Stelle ist der nicht-schattierte Teil der Zeichnung. Wie dargestellt, ist das Modell mit der aktiven Stelle eine trommelförmige Tasche (pocket) des Enzyms, das an ein Molekül wie Phenylethylacetat angepaßt ist, der Substanz, die durch die Formel in der Zeichnung dargestellt ist. Von besonderem Interesse ist der Teil der enzymatischen Oberfläche, der einen kleinen lipophilen Alkylteil einläßt, wie z.B. denjenigen rechts von dem einzelnen gebundenen Sauerstoff im Phenylethylacetat.
Wie oben angegeben, stellt die Figur das Modell dar, das durch den Stand der Technik vorgeschlagen wurde. Vor dieser Erfindung war nicht bekannt, daß die aktive Stelle des Enzyms dazu befähigt ist, die Gegenwart einer lipophoben Hydroxylgruppe zu akzeptieren, wie jene, die im Falle der Substrate der Anmelderin auftreten. Anders ausgedrückt wurde durch den Stand der Technik eine Enzymoberfläche dargestellt, die an eine Methylgruppe oder andere lipophile Gruppe angepaßt ist (so wie in der Zeichnung dargestellt). Überdies war unbekannt, daß diese Stelle ebenfalls die sterisch und ionisch unterschiedliche Hydroxylgruppe akzeptieren würde.
Infolgedessen konnte ein Fachmann bis zur Erfindung der Anmelderin annehmen, daß die lipophobe Hydroxylgruppe das Enzym daran hindern würde, als Katalysator zu agieren.

Beste Ausführungsform zur Durchführung der Erfindung

Gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Trennung von optischen Isomeren einer Verbindung der folgenden Formel:
bereitgestellt.
Das Verfahren schließt ein, daß das zu trennende Racemat einer Hydrolyseaktion einer Lipase von Pseudomonas fluorescens unterworfen wird. Das Enzym hydrolysiert vorzugsweise die S-Form des Esters, unter Erzeugung der Säure. Aufgrund der mäßigen Selektivität der Reaktion wird die Hydrolyse vorzugsweise durchgeführt bis zu einer Umwandlung von weniger als 50%, um zu ermöglichen, daß das Säureprodukt in einem günstigen hohen enantiomeren Überschuß erhalten wird. Das Produkt der Hydrolyse ist eine Mischung des S-Isomeren der Säure:
und des R-Isomeren der Esters (I).
Im Falle dieser Reaktion sind die Natur von Ar und R sowie der Wert für n nicht kritisch, solange die Reaktion stattfindet ohne Vergiftung des Enzymes in einem unerwünschten Ausmaß oder Verletzung der sterischen Erfordernisse des Enzyms. Dies bedeutet, daß der Arylrest Ar ein substituierter oder ein unsubstituierter aromatischer Rest sein kann, z.B. ein Phenylrest.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform steht Ar für den Phenylrest oder einen schwach substituierten Phenylrest mit bis zu etwa 10 Kohlenstoffatomen. Vorzugsweise ist ferner der Wert für n eine kleine ganze Zahl. Vorzugsweise ist n gleich einer kleinen Zahl von 0 bis etwa 6; in besonders bevorzugter Weise ist n gleich 0.
Der Alkoholrest, der durch R dargestellt ist, kann aus einer Vielzahl von Stoffen ausgewählt sein. Im allgemeinen ist die Natur des Restes R nicht kritisch. Vorzugsweise steht R für einen kurzkettigen Alkylrest mit bis zu etwa 4 Kohlenstoffatomen. Alkohole, die derartige Reste liefern, sind leicht zugänglich und nicht kostspielig und infolgedessen für diese Erfindung gut geeignet.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist der Rest R einen Substituenten auf, der die Hydrolysegeschwindigkeit steigert. Diesbezüglich wird vorgeschlagen, daß eine Chlorofunktion in 2-Chloroethanol oder 2,2,2-Trichloroethanol eine solche aktivierende Spezies sein kann; weshalb 2-Chloroethyl- oder 2,2,2,-Trichloroalkylsubstituenten R-Reste darstellen können, die aktivierend wirken und im Verfahren dieser Erfindung hoch geeignet sind.
Die Hydrolysereaktion unter Verwendung der Lipase wird in einem wäßrigen Medium mit einem pH-Wert im Bereich von etwa 5,0 bis etwa 9,0 durchgeführt. Vorzugsweise wird das Verfahren bei einem pH-Wert von etwa 7,0 durchgeführt. Der gewünschte pH-Wert kann mittels üblicher Puffersubstanzen eingestellt und aufrechterhalten werden. Es ist ferner zweckmäßig, kontinuierlich eine Base durch automatische Titration zuzusetzen und dadurch den pH-Wert aufrechtzuerhalten. Der Verlauf der Reaktion kann durch Überwachung der Basenzugabe in dieser Weise überwacht werden, und die Überwachung ist eine geeignete und bevorzugte operative Maßregel.
Die enzymatische Hydrolyse wird bei einer milden Temperatur durchgeführt. Ein bevorzugter Temperaturbereich liegt bei etwa 5ºC bis etwa 60ºC. Vorzugsweise liegt die Temperatur im Bereich von etwa 15ºC bis etwa 25ºC. Temperaturen außerhalb dieser Bereiche können angewandt werden, solange der Katalysator nicht deaktiviert wird. Umgebungstemperaturen sind zweckmäßig und werden bevorzugt angewandt. Das Verfahren dieser Erfindung wird zweckmäßig bei Umgebungsdruck durchgeführt und derartige Drucke werden bevorzugt angewandt.
Größere und niedrigere Drucke können angewandt werden, falls erwünscht.
Die Reaktionsdauer ist keine wirklich unabhängige Variable und hängt ab mindestens zu einem gewissen Teil von der Aktivität des Enzyms und von der Reaktivität des verwendeten Substrates. Die Reaktionstemperatur hat ferner einen Effekt auf die Reaktionsdauer. Ganz allgemein ist die Reaktionsdauer umso kürzer, umso höher die Temperatur ist. In typischer Weise werden Hydrolyse-Reaktionszeiten von etwa 15 bis etwa 30 Stunden angewandt. Zeiten außerhalb dieses Bereiches können, falls erwünscht, angewandt werden.
Es wird eine katalytisch wirksame Menge des Enzyms angewandt. Im allgemeinen liegt die Menge an racemischem Substrat bei dem etwa 10- bis etwa 100-fachen des Gewichts des verwendeten Enzyms. Eine Menge von Racemat, die gleich ist dem etwa 30- bis etwa 70-fachen des Gewichtes des Enzyms, wird bevorzugt angewandt. Das Enzym braucht nicht in reiner Form vorzuliegen; es kann in ungereinigtem Zustand angewandt werden oder immobilisiert oder nicht-immobilisiert. Die vorerwähnten katalytischen Mengen beziehen sich auf ungereinigte Enzyme. Geringere Mengen von gereinigten Materialien können angewandt werden.
Die enzymatische Hydrolyse kann, falls erwünscht, nicht bis zur vollständigen Umwandlung durchgeführt werden. Wie im folgenden ausführlicher dargelegt werden wird, kann dieses Verfahrens-Hilfsmittel einige wichtige Vorteile bieten. Ist ein optisch reines Hydrolyseprodukt erwünscht, so kann es vorteilhaft sein, die Hydrolyse bis zu einem Vollendungsgrad von sage 45-50% durchzuführen. Wenn andererseits das nicht umgesetzte Substrat in optisch reiner Form der Hauptgegenstand ist, so kann es wünschenswert sein, die Hydrolyse bis zu einem etwas höheren Umwandlungsgrad durchzuführen, z.B. bis zu etwa 55 bis etwa 70%.
Das oben beschriebene Hydrolyseverfahren braucht nicht als eine separate, isolierte Reaktion durchgeführt zu werden. Das Verfahren kann insbesondere in Verbindung mit anderen chemischen Reaktionen durchgeführt werden, um eine stufenweise präparative Technik für die Produktion spezifischer, optischer Isomerer bereitzustellen. Eine solche Folge ist eine Ausführungsform dieser Erfindung. Beispielsweise in der Folge von Reaktionen, die oben im Schema (A) dargestellt sind, kann das Säureprodukt, das durch die enzymatische Hydrolyse hergestellt worden ist, in eine Form überführt werden, die in Wasser löslich ist, z.B. in die Form eines Salzes. Nach dieser Überführung ist das Salz der Säure leicht abtrennbar durch Extraktion von dem nicht umgesetzten Ester, der auch in der Mischung der Hydrolysereaktion vorliegt, durch Extraktion des Esters von einer wäßrigen Lösung der Säure. Die Extraktion wird unter Verwendung eines nichtpolaren Lösungsmittels durchgeführt, in dem das Salz nicht leicht löslich ist, und das ein vergleichsweise gutes Lösungsmittel für den Ester ist, der vorhanden ist. Diethylether, Di-n-butylether, Ethylacetat und dgl. sind geeignete Extraktions-Lösungsmittel. Es kann eine oder es können mehrere einfache Extraktionen oder eine kontinuierliche Extraktion durchgeführt werden.
Nach Entfernung des Esteranteiles der Mischung der Hydrolysereaktion kann die Säure aus dem Salz durch Umsetzung einer starken Säure niit dem Salz regeneriert werden. Daraufhin kann die regenerierte Säure, falls erwünscht, auf optische Homogenität gereinigt werden, und zwar durch Umkristallisation unter Verwendung eines geeigneten organischen Lösungsmittels, wie beispielsweise eines Ethers des oben veranschaulichten Typs. Beispielsweise kann die Säure aus tert.-Butylmethylether umkristallisiert werden.
Falls erwünscht, kann die gereinigte, optisch reine Säure als Ausgangsmaterial zur Herstellung einer anderen Verbindung in optisch reiner Form eingesetzt werden. Wie durch die Reaktionsfolge (A) oben beschrieben und die folgenden Beispiele erläutert, kann die S-Säure, die in der oben beschriebenen erzeugt worden ist, mit einem geeigneten Reduktionsmittel (z.B. Boran, Diboran usw.) reduziert werden, unter Erzeugung eines Arylalkandiols, das optisch rein ist. In entsprechender Weise kann gewonnener R-Ester, der in der oben beschriebenen Weise erhalten worden ist, reduziert werden (z.B. mit Natriumborohydrid), um den optisch praktisch reinen Diol-Antipoden zu liefern.
Die Überführung der Säure in ihr Salz mit einer Base, z.B. einem Alkalimetallcarbonat, -bicarbonat oder einer ähnlichen starken Base, kann in der dem Fachmann bekannten Weise durchgeführt werden. Entsprechend sind die Verfahrensbedingungen, die bei der oben diskutierten Extraktion angewandt werden oder bei der Regenerierung der Säure aus ihrem Salz oder bei der Umkristallisation oder bei der Reduktion der gereinigten Säure, nicht kritisch und können ganz allgemein nach den Methoden des Standes der Technik ausgewählt werden. Derartige Reaktionsvariable werden in den folgenden Beispielen veranschaulicht.
In den Beispielen sind bestimmte Materialien durch Nummern gekennzeichnet. Die verwendeten Nummern entsprechen jenen, die in dem obigen Reaktionsschema (A) angegeben wurden.

BEISPIEL 1

Katalytische Hydrierung von Ethylbenzoylacetat

Ethylbenzoylacetat (1) (19,21 g; 0,10 Mol) wurde in 95%igem Ethanol (100 ml) in einer Druckflasche gelöst. Die Flasche wurde mit Stickstoff ausgespült und es wurden 5% Palladium auf Kohle (960 mg; 5 Gew.-%) zugegeben. Das Gefäß wurde unter einen H&sub2;-Druck von 3,15 kg/cm² gebracht und in einer Vorrichtung nach Parr 14 h lang geschüttelt, zu welchem Zeitpunkt die H&sub2;-Aufnahme beendet war und eine durchgeführte Dünnschichtchromatographie-Analyse anzeigte, daß (1) vorhanden war. Die Reaktionsmischung wurde einer Saug-Filtration durch Celite mit einer darauf aufgetürmten Sandschicht filtriert (um eine Kanalbildung zu vermeiden) und mit Ether eluiert, um den Katalysator zu entfernen. Das Filtrat wurde konzentriert, um (2) zu liefern, racemisches Ethyl-3-phenyl- 3-hydroxypropionat (19,17 g; 99%), das rein war, wie sich durch eine Dünnschichtchromatographie und eine ¹H NMR-Analyse ergab.
¹H nmr (300 MHz, CDCl&sub3;): 7,4-7,2 (5H, m); 5,130(1H,dd,J=4,36, 8,48 Hz); 4,178 (2H, q, J=7,17 Hz); 3,2(1H, br s); 2,764(1H, dd, J=8,58, 16,30 Hz); 2,691 (1H, dd, J=4,33, 16,33Hz); 1,259(3H, t, J=7,17 Hz). IR (sauberer Film cm&supmin;¹):3450 (s,b); 1720(s); 1605(w). EIMS (m/e): 194 (M&spplus;); 165(2%, M&spplus;-Et); 149 (5%; M&spplus;-EtO).
Es wurde gefunden, daß bei Anwendung von 10% Palladium auf Kohle eine höhere Reaktionsgeschwindigkeit als wie oben angegeben erzielt wurde.
Wie gezeigt, führten die angewandten Reaktionsbedingungen in dem vorstehenden Beispiel zu einer nahezu quantitativen Ausbeute an racemischem Ester und erforderten keine Reinigung des Produktes. Infolgedessen stellt die Anwendung einer Hydrierung mit einem Palladium-Kohle-Katalysator zur Reduktion eines β-Ketoesters eine hoch vorteilhafte Methode zur Herstellung eines racemischen Esters dar, der als Rohmaterial im Rahmen des Verfahrens der Erfindung verwendet werden kann. Infolgedessen umfassen bevorzugte Ausführungsformen dieser Erfindung die Anwendung dieser Synthesetechnik, in Verbindung mit dem biokatalytischen Verfahren wie oben beschrieben und im folgenden illustriert.

BEISPIEL 2

Enzymatische Hydrolyse von Ester

Racemischer Ester (2) (17,78 g; 91,54 mMol) wurde mit pH 7 Phosphatpuffer (35 ml) in einem 250 ml fassenden Becher vereinigt. Diese Mischung wurde in eine automatische Titriervorrichtung gegeben und der pH-Wert wurde auf 7,00 eingestellt. Lipase P-30 (350 mg; eine Lipase von Pseudomonas fluorescens, erhalten von der Firma Amano International Enzyme Co.) wurde zugegeben und die Hydrolyse gestartet. Die Reaktionsmischung wurde bei einem pH-Wert von 7,00 durch automatische Titration und folgende Aufnahme von 1,000 N NaOH gehalten. Nach 20 h bei Raumtemperatur waren 41,45 ml einer 1,000 N NaOH-Lösung verbraucht (45,3%ige Umwandlung) und die Reaktion wurde unterbrochen. Die Reaktionsmischung wurde mit Wasser (20 ml) und gesättigter NaHCO&sub3; (20 ml) verdünnt, und dann mit Ether (3 x 40 ml) extrahiert. Die vereinigten organischen Lösungen wurden mit gesättigter NaHCO&sub3; (10 ml) extrahiert, getrocknet (MgSO&sub4;) und konzentriert, unter Gewinnung von 8,22 g (46%) von R-(2), d.h. der R-Form von Ethyl-3-phenyl-3-hydroxypropionat, [α]D²² + 42,3º (c. 1,228, Chloroform). Die R-Konfiguration ergab sich aus einem Vergleich mit dem Literaturwert für den S-Antipoden ([α]D²² - 40,8º (c. 1,03, Chloroform), Soai und Mitarbeiter J. Chem. Soc. Chem. Comm. 1985, 138).
Die kombinierten wäßrigen Lösungen wurden auf einen pH-Wert von 1 mit 3 N HCl (35 ml) angesäuert und mit Ether (4 x 40 ml) extrahiert. Die Extrakte wurden getrocknet (MgSO&sub4;) und konzentriert, unter Gewinnung von 6,74 g (44%) von S-(3), d.h. S-3-Phenyl-3-hydroxypropionsäure. Dieses Material wurde aus warmem t-Butylmethylether (50 ml) durch Zugabe von Hexanen (50 ml) und Abkühlen auf Raumtemperatur umkristallisiert. Ein weiteres Abkühlen auf -20ºC ergab keine erkennbare Erhöhung der Kristallmasse. Optisch reine S-3-Phenyl-3- hydroxypropionsäure, (> 98% ee, wie sich durch ¹H-NMR-Analyse des MTPA-Derivates des entsprechenden Methylesters ergab) (5,45 g, 36%) wurde in Form weißer Nadeln, Fp. 118-119ºC, gewonnen.
¹H nmr (300 MHz, CD&sub3;CN): 7,6-7,2 (5H, m); 5,07 (1H, t, J=6;65 Hz); 4,9 (2H, br s);
2,68 (2H, d, J=6,73 Hz). IR (KBr, cm&supmin;¹): 3500-2400 (s,b); 1700 (s); 1595(w); 1505(w). EIMS (m/e): 166 (M&spplus;); 148 (2%, M&spplus;-H&sub2;O). [α]D&sub2;&sub0; -22.7º (c/ 1.034, CH&sub3;OH)
Anal.: Ber. für C&sub9;H&sub1;&sub0;O&sub3;; C: 65,05; H: 6,07;
Gefunden: C: 65,28; H: 6,00.

BEISPIEL 3

Boran-Reduktion zu S-1-Phenyl-1,3-propandiol

Optisch reine Hydroxy-Säure S-(3) (1,66 g; 10,0 mMol) wurde in Tetrahydrofuran (THF) (20 ml) gelöst und auf 0ºC abgekühlt. Eine 1,0 M Lösung von Boran in THF (21 ml; 21 mMol; 2,1 Äquiv.) wurde zugegeben (Schaumbildung) und die Reaktion wurde 1 h lang auf Raumtemperatur erwärmt. Wäßriges Natriumhydroxid (10%, 20 ml) wurde zugesetzt und die Mischung wurde 3 h lang auf 60ºC erhitzt, um den Boratkomplex zu spalten. Die Mischung wurde auf Raumtemperatur abgekühlt und Ether (3 x 35 ml) extrahiert. Die vereinigten Extrakte wurden getrocknet (MgSO&sub4;) und konzentriert, unter Gewinnung von 1,59 g rohem Diol, das durch Abschrecken (-20ºC) verfestigt wurde. Das Diol wurde in Methylenchlorid (7,5 ml, 5 ml/g) gelöst und Hexane (7,5 ml, 1 Volumen) wurden zugegeben. Dies führte zu einer Phasentrennung, wodurch durch Abkühlen (-20ºC) über Nacht optisch reines S-1-Phenyl-1,3-propandiol (S-(4)) in Form weißer Nadeln, Fp 63-65ºC, erhalten wurde.
H nm (300 MHz, CDCl&sub3;): 7,4-7,2 (5H, n); 4,869 (1H, dd, J=4,04, 8,52 Hz); 3,789 (2H, m); 3,6 (1H, br s); 3,14 (1H, Br s); 2,05-1,8 (2H, m). IR (KBr, cm&supmin;¹): 3350 (s,b); 1605 (w); 1485 (w). EIMS (m/e); 152 (M&spplus;); 134 (M&spplus;-H&sub2;O); 107 (M&spplus;-CH&sub2;CH&sub2;OH).
Anal.: Ber. für C&sub9;H&sub1;&sub2;O&sub2;; C: 71,03; H: 7,95;
Gefunden: C: 70,91; H: 7,77.
[α]D²&sup0; -39,9 (c. 0,862, CH&sub3;OH&sub3;).
Beispiel 2 veranschaulicht ein Verfahren zur Trennung von optischen Isomeren in einem racemischen Carbonsäureester der Formel (I). Das Verfahren umfaßt die Hydrolyse des Racemates in Gegenwart einer Lipase von Pseudomonas fluorescens. Die Produktmischung enthielt eine Säure der Formel (II) und einen Ester der Formel (I).
Beispiel 2 veranschaulicht ebenfalls ein Verfahren, das die Hydrolyse umfaßt, gefolgt von der Umwandlung der erzeugten Säure in ein Salz, z.B. ein Alkalimetallsalz. In dem Verfahren des Beispieles wurde NaHCO&sub3; als Base verwendet. Andere Basen, die dazu befähigt sind, mit der Säure zu reagieren, können eingesetzt werden. Derartige andere Basen sind dem Fachmann bekannt. Im allgemeinen handelt es sich um Metallenthaltende Basen mit einer ausreichenden Basizität, um die Säure vollständig oder praktisch vollständig in ein Salz zu überführen. Falls erwünscht, können organische Basen eingesetzt werden.
Beispiel 2 veranschaulicht ebenfalls die Trennung der durch Hydrolyse erzeugten Säure von nicht umgesetztem Ester. Die Trennung umfaßt die Extraktion des Esters mit einem organischen Lösungsmittel, wie beispielsweise einem Ether.
Zusammenfassend beschreiben die Beispiele 2 und 3 ein Verfahren zur Herstellung von S-1-Phenyl-1,3-propandiol von hoher optischer Reinheit. Das Verfahren umfaßt (a) die Hydrolyse von racemischem Ethyl-3-phenyl-3-hydroxypropionat in Gegenwart von Lipase von Pseudomonas fluorescens derart, daß die Hydrolyse zu einem Umwandlungsgrad von etwa 45 bis etwa 50% durchgeführt wird, (b) die Umwandlung der S-Saure, die dadurch erzeugt wurde, in ein wasserlösliches Salz, (c) die Abtrennung des Salzes von dem nicht umgesetzten R-Ester durch Extraktion des nicht umgesetzten Esters mit einem organischen Lösungsmittel, (d) das Ansäuern des Salzes zur Gewinnung der S-Säure, (e) das Reinigen der gewonnenen Säure unter Erhöhung der optischen Reinheit, und (e) die Reduktion der gereinigten Säure, die erzeugt wurde unter Bildung des Dioles in hoher optischer Reinheit.
Das Verfahren dieser Erfindung umfaßt ferner ein Verfahren zur Herstellung von R-1-Phenyl-1,3-propandiol von hoher optischer Reinheit, wobei das Verfahren umfaßt: (a) die Hydrolyse von racemischen 3-Phenyl-3-hydroxypropionat in Gegenwart von Lipase von Pseudomonas fluorescens, derart, daß die Hydrolyse durchgeführt wird bis zu einem Umwandlungsgrad im Bereich von etwa 55 bis etwa 70%, (b) die Umwandlung der hierbei erzeugten S-Säure in ein lösliches Salz hiervon und die Trennung des Salzes und des nicht umgesetzten R-Esters durch Extraktion des R-Esters in einem organischen Lösungsmittels und (d) die Reduktion von nicht umgesetztem Ester unter Bildung des R-1-Phenyl-1,3-propandiols von hoher optischer Reinheit. Alternativ kann der R-Ester, erhalten gemäß Beispiel 2 oben (enzymatische Hydrolyse < 50% Umwandlung) R- 1-Phenyl-1,3-propandiol von hoher optischer Reinheit liefern, wobei das Verfahren umfaßt (a) die chemische Hydrolyse des nicht umgesetzten gewonnenen R-Ethyl-3-phenyl-3-hydroxypropionates, (b) mit folgender Reinigung der erhaltenen R-3- Phenyl-3-hydroxypropionsäure unter Gewinnung eines Produktes hoher optischer Reinheit und (c) die Reduktion der Säure unter Bildung der R-1-Phenyl-1,3-propandiols. Dies wird durch die folgenden Beispiele veranschaulicht.

BEISPIEL 4

Herstellung von R-3-Phenyl-3-hydroxypropionsäure

Ethyl-R-3-phenyl-3-hydroxypropionat, erhalten durch enzymatische Hydrolyse (1,00 g; 5,15 mMol), 90% ee, wurde in Methanol (10 ml) gelöst. Eine 10%ige wäßrige Lösung von Natriumhydroxid (10 ml; Überschuß) wurde zugegeben und die Reaktionsmischung wurde bei Raumtemperatur über Nacht gerührt, wonach kein Ester feststellbar war, wie durch Dünnschichtchromatographie-Analyse festgestellt wurde. Die Reaktionsmischung wurde mit Ether (30 ml) verdünnt und mit gesättigter Natriumbicarbonatlösung (3 x 10 ml) extrahiert. Die etherische Lösung wurde verworfen und die vereinigten wäßrigen Extrakte wurden auf einen pH-Wert von 1 mit 3 N HCl angesäuert und mit Ether (4 x 30 ml) extrahiert. Die letzteren vereinigten Extrakte wurden getrocknet (MgSO&sub4;) und konzentriert, wodurch 756 mg (88%) von R-Säure (3) gewonnen wurden. Diese wurde aus warmem t-Butylmethylether (7,5 ml; 10 ml/g) durch Zugabe von einem Volumen Hexanen und Abkühlen umkristallisiert, wobei 587 mg (60%) von optischem reinem R- 3 gewonnen wurden, Fp. 114-116ºC (> 98% ee, wie sich durch ¹H NMR-Analyse des MTPA-Derivates des entsprechenden Methylesters ergab).
Sämtliche achiralen Eigenschaften von (3) waren wie oben angegeben. [α]D²&sup0;+22,8º (c. 1,22, Methanol).

BEISPIEL 5

Herstellung von R-3-Phenyl-1,3-propandiol

Hydroxy-Säure R-(3) (> 98% ee; 166 mg; 1,00 mMol) wurde in THF (2 ml) gelöst und auf 0ºC abgekühlt. Eine 1,0 M Lösung von Boran in THF (2,1 ml; 2,1 mMol; 2,1 Äquiv.) wurde zugegeben, und die Reaktionsmischung wurde auf Raumtemperatur erwärmt. Nach einer Stunde bei Raumtemperatur war kein (3) durch Dünnschichtchromatographie-Analyse feststellbar und eine 10%ige wäßrige Lösung von Natriumhydroxid (2 ml; Überschuß) wurde zugegeben. Die erhaltene Mischung wurde 3 h lang auf 60ºC erhitzt, auf Raumtemperatur abgekühlt, mit Wasser (10 ml) verdünnt und mit Ether (3 x 20 ml) extrahiert. Die vereinigten Extrakte wurden getrocknet (MgSO&sub4;) und konzentriert, wodurch 146 mg (96%) von R-(4) 3-Phenyl- 1,3-propandiol gewonnen wurden.
Sämtliche achiralen Eigenschaften von (4) waren wie oben berichtet [α]D²&sup0;+37,6º (c. 0,830, CH&sub3;OH).
Das Verfahren dieser Erfindung ist leicht an industrielle Verhältnisse anpaßbar, indem den oben angegebenen Verfahrensmaßnahmen gefolgt wird. Das Verfahren kann ausgedehnt werden auf die anderer R- oder S-Arylalkylidendiole, indem das oben durch die Beispiele veranschaulichte Verfahren mit anderen racemischen Estern der Formel (I) durchgeführt wird.
Die Erfindung wurde im vorstehenden unter besonderer Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben.

Claims

1. Verfahren zur Trennung der optischen Isomeren eines racemischen Carbonsäureesters der Formel:

worin Ar für einen Phenyl- oder substituierten Phenylrest steht, n gleich einer kleinen ganzen Zahl im Bereich von 0 bis etwa 4 ist und R die Bedeutung eines kurzkettigen Alkyl- oder substituierten Alkylrestes hat;

wobei das Verfahren die Hydrolyse des Racemates in Gegenwart von Lipase von Pseudomonas fluorescens unter Gewinnung einer Mischung des S-Isomeren der Säure,

und des nicht umgesetzten R-Isomeren des Esters umfaßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Ar für einen Phenylrest steht und n gleich 0 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich an die Hydrolyse eine Umwandlung der Säure in ein Alkalimetallsalz anschließt sowie die Trennung des Salzes von dem R-Ester durch Extraktion des Esters in ein organisches Lösungsmittel.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem sich an die Hydrolyse die Umwandlung der Säure in ein Alkalimetallsalz anschließt durch Behandlung der Hydrolyse-Reaktionsmischung mit einer Base, mit anschließender Trennung des R-Esters vom Salz durch Extraktion des R-Esters mit einem organischen Lösungsmittel.

5. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Hydrolyse bis zu einer Umwandlung von 45 bis 50 % durchgeführt wird, um die Säure in einem enantiomeren Überschuß von 85 bis 90 % zu liefern.

6. Verfahren zur Herstellung von reinem S-1-Phenyl-1,3-propandiol von hoher optischer Reinheit, wobei das Verfahren umfaßt (a) die Hydrolyse von racemischem Ethyl-3-phenyl-3-hydroxypropionat in Gegenwart von Lipase von Pseudomonas fluorescens derart, daß die Hydrolyse bis zu einer Umwandlung von etwa 45 bis etwa 50 % erfolgt, (b) Überführung der hierbei erzeugten S-Säure in ein wasserlösliches Salz hiervon, (c) Trennung des Salzes von dem nicht umgesetzten R-Ester durch Extraktion des nicht umgesetzten Esters mit einem organischen Lösungsmittel, (d) Ansäuern des Salzes zur Gewinnung der S-Säure, (e) Reinigung der gewonnenen Säure auf optische Reinheit und (f) Reduktion der hierbei gewonnenen gereinigten Säure unter Bildung des Diols von hoher optischer Reinheit.

7. Verfahren zur Herstellung von reinem R-1-Phenyl-1,3-propandiol, wobei das Verfahren umfaßt (a) die Hydrolyse von racemischem Ethyl-3-phenyl-3-hydroxypropionat in Gegenwart von einer Lipase von Pseudomonas fluorescens derart, daß die Hydrolyse bis zu einer Umwandlung im Bereich von etwa 45 bis etwa 50 % durchgeführt wird, (b) Umwandlung der hierbei erzeugten S-Säure in ein wasserlösliches Salz hiervon, (c) Trennung des Salzes und des nicht umgesetzten R-Esters durch Extraktion des R-Esters in ein organisches Lösungsmittel, (d) chemische Hydrolyse des R-Esters zu der entsprechenden R-Säure, (e) Reinigung der R-Säure zur Erhöhung ihrer optischen Reinheit und (f) Reduktion der hierbei gewonnenen gereinigten Säure zur Bildung des reinen Diols von hoher optischer Reinheit.