专利名称：制备光学纯(S)－3－羟基－γ－丁内酯的连续方法
技术领域：
本发明的背景发明的领域本发明涉及到制备由下面式1表示的光学纯(S)-3-羟基-γ-丁内酯的连续方法，并且更具体地，涉及到能够以大的量经济地制备光学纯(S)-3-羟基-γ-丁内酯的方法，即通过(a)在特定条件下，用酶反应容易从天然产品中获得的支链淀粉，制备具有适当糖分布的α-(1,4)-连接的寡糖；和(b)通过碱性阴离子交换树脂与氧化剂的作用，进行氧化反应，得到(S)-3,4-二羟基丁酸-阴离子交换树脂复合物，从阴离子交换树脂复合物上解离出(S)-3,4-二羟基丁酸，在特定的条件下顺序地进行酯化和环化反应。
在下面，详细介绍了用于制备(S)-3,4-二羟基丁酸衍生物和(S)-3-羟基-γ-丁内酯的常规技术，它们被用于制备所述的手性化合物。
由β-酮酯的酶还原或催化还原制备(S)-3-羟基丁酸衍生物的方法是知道的[J.Am.Chem.Soc.,105,5925~5926(1983)；TetrahedronLett.,31,267~270(1990)；欧洲专利公开452,143A2]。这些方法具有难度，因为前手性中心应当被还原到一侧，以产生手性中心，并且需要采用贵重的金属催化剂。
通过选择性还原(L)-苹果酸酯制备(S)-3,4-二羟基丁酸酯和(S)-3-羟基-γ-丁内酯的技术是已知的[Chem.Lett.,1389~1392(1984)；USP 5,808,107]。该技术具有不足，因为还原应当选择性地进行到两个酯官能团中的仅仅一个。
从碳水化合物制备(S)-3,4-二羟基丁酸衍生物和(S)-3-羟基-γ-丁内酯的许多方法已被介绍了。
报道了制备异己糖酸(B)或(S)-3,4-二羟基丁酸(C)的技术[J.Chem.Soc.,1924~1931(1960)]，如
图1所示，即通过碱降解在4-位上含有葡萄糖取代基的碳水化合物，例如4-O-甲基-(D)-葡萄糖、麦芽糖、直链淀粉和纤维素，消除作为离去基团的C-4取代基，形成二羰基化合物(A；4-脱氧-2,3-hexodiulose)，并且用碱反应形成的二羰基化合物。但是，(S)-3,4-二羟基丁酸的收率低。
图1 同样，已经报道了由碱降解在4-位上含有葡萄糖取代基的碳水化合物，形成二羰基化合物(A)，分离所形成的二羰基化合物(A)，并用过氧化氢与它反应，以主要产物得到了(S)-3,4-二羟基丁酸(C)和乙醇酸(D)[J.Chem.Soc.,1932~1938(1960)]。该方法存在严重问题，这在于产物以由于互变异构化产生的少量异构体和环状化合物与从由二羰基化合物(A)衍生来的水合物的混合物存在。因此，二羰基化合物(A)不能以好的收率从反应混合物中分离出。另外的问题在于由于过度氧化，所制备的(S)-3,4-二羟基丁酸被降解为甲酸和乙醇酸。
单独采用碱或采用在碱中的氧，从碳水化合物制备(S)-3,4-二羟基丁酸的类似技术是知道的。如图1所示，建议将二羰基化合物(A)作为(S)-3,4-二羟基丁酸的合成中间体。但是，收率据报道为低到大约30％[J.Res.Natl.Bur.Stand,32,45(1944)；J.Am.Chem.Soc.,2245~2247(1953)；J.Am.Chem.Soc.,1431~1435(1955)；Carbohyd.Res.,11,17~25(1969)；J.Chromatography,549,113~125(1991)]。在这些方法中，制备了(S)-3,4-二羟基丁酸与不同类型的混合物，包括乙醇酸(D)、异己糖酸(B)、甲酸、酮、二酮和甘油酸。由于(S)-3,4-二羟基丁酸的收率很低，这些方法也被认为不适合工业应用。
采用碱和氧化剂从二糖(乳糖)制备(S)-3,4-二羟基丁酸的方法已被介绍了[国际专利公开WO98/04543]。在这项工作中，在反应条件下，(S)-3,4-二羟基丁酸被环化为(S)-3-羟基-γ-丁内酯，并且通过将两个羟基保护为丙酮酯化合物而被提纯，即(S)-3,4-O-异亚丙基-3,4-二羟基丁酸甲酯，它在酸性介质下被再环化为(S)-3-羟基-γ-丁内酯。
包括碱氧化在4-位上含有葡萄糖取代基的碳水化合物过程的(S)-3,4-二羟基丁酸的制备方法已经知道了[USP 5,292,939,5,319,110和5,374,773(1994)]。在这些方法中，首先形成了二羰基化合物(A)中间体，氧化为(S)-3,4-二羟基丁酸(C)和乙醇酸(D)。但是，完全没有介绍手性化合物最重要的物理性能，光学纯度。同样，考虑反应的机理，目标化合物的提纯很困难。在二糖例如麦芽糖或乳糖的场合，在二糖中，只有一个糖单元形式(S)-3,4-二羟基丁酸，并且另一个糖单元起离去基团的作用，因此，目标产物和离去基团以1∶1混合物共存。相应地，很难从反应混合物中分离和纯化(S)-3,4-二羟基丁酸或(S)-3-羟基-γ-丁内酯。可获得的最大的物质转化率为28.3wt％。换句话说，从100克二糖可以得到28.3克(S)-3-羟基-γ-丁内酯。对于多糖，例如在上面专利中提到的麦芽糖糊精、淀粉和纤维素，(1,4)和/或(1,6)葡萄糖单元象网一样复杂地连接起来。问题在于从包含在(1,6)连接单元上的(1,4)连接端基的还原端基单元上进行的逐步氧化反应。因此，没有形成更多的目标产物。同样，由于还原端基单元的过度氧化，多糖被降解为复杂的酸混合物，包括甲酸、草酸、乙醇酸、和赤糖酸，[J.Am.Chem.Soc.,81,3136(1959)；Starch41 Nr.8,S.303~309(1989)；Synthesis,597~613(1997)]。
通过酸或碱水解，将较高分子量糖降解为相对较低分子量糖，进行了从多糖来提高(S)-3,4-二羟基丁酸或(S)-3-羟基-γ-丁内酯收率的努力。虽然在该方法中，反应活性被提高到一定程度，(1,4)连接和(1,6)连接不被选择性地水解而得到无规的分布。相应地，在以高收率制备(S)-3,4-二羟基丁酸及其衍生物上存在严重问题[Encyclopedia ofChemical Technology,3rd ed.492~507]。
关于采用(1,4)连接的多糖制备(S)-3-羟基-γ-丁内酯，从还原端基单元连续地进行逐步氧化反应成为非还原端基单元，以得到(S)-3,4-二羟基丁酸，直到保留最后的链单元(离去基团)。即如果(1,4)-连接的多糖被用作制备(S)-3-羟基-γ-丁内酯的原料，可得到的最大物质转化率为63wt％，大约高于采用二糖方法的两倍。换句话说，从100克(1,4)-连接的多糖可以得到63克(S)-3-羟基-γ-丁内酯。同样，与二糖相比，在反应混合物中，由于产生出少量的离去基团，目标产物容易提纯。因此，(1,4)-连接的多糖的使用可望提高生产率。
但是，关于常规的多糖，在逐步氧化反应中，由于具有无规(1,4)键和(1,6)键的紧密结构，目标产物和副产物(酸，例如甲酸、草酸、乙醇酸和赤糖酸)是竞争地形成的。因此，多糖向具有(1,4)键的适当的糖分布范围的选择性降解技术是需要的。
另外，为了工业应用，采用生物酶处理过程，由较高分子量糖向较低分子量糖的转变已有许多报道。
已介绍的技术包括通过酶处理淀粉来制备葡萄糖、麦芽糖和乙醇[USP 3,791,865(1974)；USP 3,922,200(1975)；USP 4,855,232(1989)；日本专利公开4-158,795(1992)；Methods Carbohydr.Chem.,10,231~239(1994)；Methods Carbohydr.Chem,10,245~248(1994)]，以及制备具有适当葡萄糖当量(DE)的麦芽糖糊精[USP 3,986,890(1976)；USP 4,447,532(1984)；USP 4,612,284(1986)；USP 5,506,353(1996)]。在这些参考文献中，通过高分子量多糖的降解或转化，它们被转化为用于医药、食品添加剂和诊疗试剂的适当物质。
但是到现在，为了大量生产(S)-3-羟基丁内酯通过用酶生物处理高分子多糖而制备(1,4)连接的寡糖的方法还不知道。
本发明的总结本发明的发明人经过大量努力，开发了从商业上容易得到的支链淀粉制备光学纯(S)-3-羟基γ-丁内酯的连续方法。结果，发现了能够以大的量经济地制备光学纯(S)-3-羟基γ-丁内酯的方法，即通过酶反应从支链淀粉制备具有结构特殊性的寡糖，并使副产物的形成最小化，通过碱性阴离子交换树脂与氧化剂的作用，进行氧化反应，得到(S)-3,4-二羟基丁酸-阴离子交换树脂复合物，从阴离子交换树脂复合物上解离出(S)-3,4-二羟基丁酸，在特定的条件下顺序地进行酯化和环化反应。由于从上面氧化反应产生的作为离去基团的葡萄糖不会吸附在阴离子交换树脂上，相对于采用无机碱的常规氧化方法，通过用水冲洗阴离子交换树脂，它可以很容易被脱出。同时，通过解离反应，上面氧化反应采用的阴离子交换树脂可以同时被再生。因此，它可被再利用于寡糖的氧化反应。这是本发明的一个优点。
相应地，本发明的目的是提供以高的收率制备光学纯(S)-3-羟基-γ-丁内酯的连续方法，即通过酶反应从支链淀粉制备具有结构特殊性的寡糖，并使副产物的形成最小化，通过碱性阴离子交换树脂与氧化剂的作用，进行氧化反应，得到(S)-3,4-二羟基丁酸-阴离子交换树脂复合物，从阴离子交换树脂上解离出(S)-3,4-二羟基丁酸，顺序地进行酯化和环化反应，而不需要另外提纯中间体。
图的简要介绍图1a代表由外消旋3-羟基-γ-丁内酯的气相色谱仪(GC)得到的光学纯度分析结果。
图1b代表由从常规方法的二糖制备的3-羟基-γ-丁内酯的气相色谱仪(GC)得到的光学纯度分析结果。
图1c代表由从本发明的寡糖制备的3-羟基-γ-丁内酯的气相色谱仪(GC)得到的光学纯度分析结果。
本发明的详细介绍本发明的特征在于包括下面的步骤(a)酶反应支链淀粉为由式2表示的α-(1,4)连接的寡糖；(b)通过碱性阴离子交换树脂与氧化剂的作用，氧化寡糖，得到由3式表示的(S)-3,4-二羟基丁酸；和(c)接着，在酸催化剂的存在下用醇进行酯化反应，得到由4式表示的(S)-3,4-二羟基丁酸的酯；和(d)在酸催化剂的存在下，环化制备出的(S)-3,4-二羟基丁酸的酯，不需要另外的分离和提纯过程，得到由式1表示的(S)-3-羟基-γ-丁内酯， 其中M表示氢、碱金属或碱土金属原子；R表示具有1~5个碳的直链或支链烷基。
下面给出了本发明的详细介绍。
本发明的基本发明构思是采用特定的酶选择性降解在支链淀粉中的α-(1,4)连接和α-(1,6)连接，即将支链淀粉转化为具有最佳糖分布的α-(1,4)连接的寡糖，以制备目标化合物。并且接着通过碱性阴离子交换树脂与氧化剂的作用，进行氧化反应，得到(S)-3,4-二羟基丁酸，同时容易和有效地除去副产物葡萄糖，进行酯化和环化以制备光学纯(S)-3-羟基-γ-丁内酯。
即集中于酶的特殊性，采用特殊的酶将支链淀粉顺序地降解为α-(1,4)连接的寡糖，通过碱性阴离子交换树脂作用进行氧化反应，从转化的寡糖得到(S)-3,4-二羟基丁酸，同时容易除去副产物葡萄糖，顺序地酯化和环化，以高的收率制备了光学纯(S)-3-羟基-γ-丁内酯。由顺序方法制备的需要产物的光学纯度为超过99.9％ee。
本发明原料支链淀粉容易从商业上得到。特别地，由于支链淀粉高度溶解在被用作本发明酶反应反应溶剂的水或pH为4.0~8.0的缓冲溶液中，相对于其它多糖，例如淀粉和纤维素，它对酶的相对反应活性被极大地增加。因此，它是制备具有适当糖分布的寡糖的很有效的原料，寡糖被用来制备(S)-3-羟基-γ-丁内酯。
当采用支链淀粉酶作为酶来选择性降解支链淀粉中的α-(1,6)连接，这会造成支链淀粉的溶解性问题并降低了酶活性。因此，不单独采用支链淀粉酶，在将支链淀粉降解为适当的糖分布中，α-淀粉酶被用来提高反应性，并且然后采用支链淀粉酶。但是，在这种场合，剩余的α-淀粉酶的活性继续存在，并且因此支链淀粉被过量降解，因此不能形成所需的寡糖。相应地，在支链淀粉酶反应之前引入了使剩余α-淀粉酶失活的技术。
本发明的制备方法的详细说明如下。它包括1)采用特殊酶生物处理，通过支链淀粉的选择性降解，制备在式2中表示的具有特征α-(1,4)连接的寡糖的步骤，2)通过碱性阴离子交换树脂与氧化剂的作用，氧化寡糖，得到(S)-3,4-二羟基丁酸，3)接着在酸催化剂的存在下，用醇酯化，得到(S)-3,4-二羟基丁酸的酯，和4)通过环化制备出的酯化合物，以高的收率制备光学纯(S)-3-羟基-γ-丁内酯的步骤。特别地，本发明的制备方法的特征为在同样的反应器中制备(S)-3-羟基-γ-丁内酯，而不需要另外提纯中间体(寡糖和(S)-3,4-二羟基丁酸的酯)。
本发明的酶反应顺序地采用α-淀粉酶和支链淀粉酶。α-淀粉酶选择性降解(α-(1,4)链并且支链淀粉酶选择性降解α-(1,6)连接。
本发明的优势在于在温和的反应条件下，通过采用酶选择性降解α-(1,4)连接或α-(1,6)连接，以高的收率制备了光学纯(S)-3-羟基-γ-丁内酯，而化学水解方法没有选择性。
本发明的酶反应是在40~120℃下的水或pH为4.0~8.0的缓冲溶液中进行的。α-淀粉酶是以支链淀粉的0.001~10wt％的范围被采用，并且α-淀粉酶的酶反应被进行30分钟到4小时，并且然后剩余的α-淀粉酶被失活。失活反应是在酸性(pH2.0~4.5)和高温(60~150℃)条件下进行的并被持续10分钟到4小时。在支链淀粉酶的酶反应中，支链淀粉酶是以支链淀粉的0.001~10wt％的范围被采用，并且通过10~40小时的支链淀粉酶的酶处理，大多数的寡糖分布在3~50个葡萄糖单元内。制备的寡糖的还原端基单元和分子量分布是通过光学分析器、HPLC分析和凝胶渗透色谱(GPC)分析，从还原端基单元和葡萄糖当量分析来分析的。
寡糖是通过选择性酶反应得到的，并且具有大多数在3~50个葡萄糖单元，并且优选地5~50个葡萄糖单元的分布。由于大多数葡萄糖单元是以α-(1,4)键连接的，通过连续的次序反应可以以高的收率得到(S)-3-羟基-γ-丁内酯，并具使副产物最少化(即甲酸、草酸、乙醇酸和赤糖酸的酸混合物)。而且，得到的(S)-3-羟基-γ-丁内酯被证明光学上很纯(＞99.9％ee)。
通过阴离子交换树脂与氧化剂的作用，进行寡糖的氧化反应，得到吸附在柱中树脂上的(S)-3,4-二羟基丁酸。碱金属或碱土金属的水溶液被用来解离吸附的(S)-3,4-二羟基丁酸。
上面介绍的寡糖的氧化反应见下图。图2 其中，·-代表载体；M代表氢、碱金属或碱土金属原子。
在图2的寡糖的氧化反应中，碱性阴离子交换树脂充当碱，寡糖被氧化剂所氧化，制得被吸收在阴离子交换树脂上的(S)-3,4-二羟基丁酸和乙醇酸。寡糖的最后一个葡萄糖(离去基团)保留在反应溶液中。
氧化后，用水冲洗阴离子交换树脂以除去离去基团葡萄糖和其它副产物，然后以2BV/h的速度用碱金属或碱土金属的水溶液洗提，以解离出(S)-3,4-二羟基丁酸。本发明的优点之一是在解离步中，碱性阴离子交换树脂被再生，它可半永久性地再用于氧化反应中。
在30到65℃下进行寡糖的氧化反应6到36小时。过氧化氢、碱金属过氧化物、碱土金属过氧化物和烷基过氧化氢被用作氧化剂，并且氢过氧化物为最优选。氧化物是以支链淀粉的每摩尔葡萄糖单元的1-3当量的范围被采用。碱性阴离子交换树脂被用作碱，并且以带有氢氧化季铵的强碱性阴离子交换树脂为优选。碱性阴离子交换树脂是以支链淀粉的每摩尔葡萄糖单元的2-4当量的范围被采用。
不同原料的(S)-3-羟基-γ-丁内酯的制备收率比较如下[参见实验实施例1]。如果从乳酪副产物得到的麦芽糖(二糖)或乳糖(二糖)被用作原料，(S)-3-羟基-γ-丁内酯的理论物质转化率为不超过所用原料重量的28.3wt％。另一方面，如果采用具有超过50个葡萄糖单元的直链淀粉(α-(1,4)连接的多糖)，(S)-3-羟基-γ-丁内酯的理论物质转化率等于支链淀粉的理论物质转化率。但是，由于非常强的分子间氢键形成的双螺旋结构限制了逐步氧化反应，因此收率变得很低。然而，通过将本发明的寡糖用作原料，(S)-3-羟基-γ-丁内酯的收率高到所采用原料重量的56.6wt％。
为了从含有(S)-3,4-二羟基丁酸的解离溶液中合成出(S)-3-羟基-γ-丁内酯，连续地进行酯化和环化反应。
本发明的酯化反应是在30-80℃范围内，在酸催化剂存在下采用同时作为反应溶剂和试剂的醇进行的。无机酸例如盐酸、硫酸、磷酸和硝酸，和有机酸例如氟代烷基磺酸、芳烷基磺酸、芳烷基磺酸的水合物和三氟乙酸被用作酸催化剂。具有1-5个碳原子的线型或支链醇被用作醇。
在酸催化剂的存在下，在30-80℃的温度范围内进行本发明的环化反应2-5小时，以得到目标化合物(S)-3-羟基-γ-丁内酯。无机酸例如盐酸、硫酸、磷酸和硝酸，和有机酸例如氟代烷基磺酸、芳烷基磺酸、芳烷基磺酸的水合物和三氟乙酸被用作酸催化剂。
根据在USP 5,319,110中公开的从(S)-3,4-二羟基丁酸和它的衍生物制备(S)-3-羟基-γ-丁内酯的常规方法，各种副产物包括葡萄糖离去基团和乙醇酸基本上是与目标产物混合在一起的。同时，由于(S)-3-羟基-γ-丁内酯是高度水溶的，它很难从水性反应溶液中分离和提纯。在WO 98/04543中，在反应条件下，(S)-3,4-二羟基丁酸被环化为(S)-3-羟基-γ-丁内酯，并且通过保护两个羟基为丙酮酯化合物而纯化，即(S)-3,4-O-异亚丙基-3,4-二羟基丁酸甲酯，在酸性介质中，它被再环化为(S)-3-羟基-γ-丁内酯。在本方法中，在获得目标产物后，需要另外的步骤，因为应当通过加入酸来分离和环化具有两个保护羟基的(S)-3,4-O-异亚丙基-3,4-二羟基丁酸甲酯，以得到(S)-3-羟基-γ-丁内酯。
另一方面，在本发明的制备方法中，在氧化后，通过用水冲洗树脂，容易除去离去基团(葡萄糖)和其它副产物，并且顺序地解离、酯化和环化，以高的收率得到光学纯(S)-3-羟基-γ-丁内酯。因此，本发明具有简单制备途径并使反应连续进行的优点，并且因此以大的量经济地制备了(S)-3-羟基-γ-丁内酯。
如上面说明的，本发明的优越性在于通过应用特殊的酶，通过将支链淀粉转化为寡糖，氧化支链淀粉的低反应性被解决。而且，副产物的形成被最小化，并且通过用碱性阴离子交换树脂进行氧化反应，通过简单的过程(用水洗)很容易将它除去。因此，可以以高的收率和很简单的提纯过程制备(S)-3-羟基-γ-丁内酯。
下面的实施例是为了作为本发明的例证，并且不应被认作限制由附带的权利要求书所确定的本发明的范围。实施例1(S)-3,4-二羟基丁酸甲酯的制备将10升水和5公斤干的支链淀粉加入到50升的反应器中。当将反应器加热到55℃后，加入12克α-淀粉酶(从Bacillus licheniformis,Novo Nordisk来的BAN；EC 3.2.1.1)。在将反应溶液加热到75℃后，在该温度下搅拌反应溶液2小时。加入5毫升0.1N的HCl溶液，以将反应溶液的pH调节到3.0-3.5，然后，在90℃下搅拌反应溶液1小时，以使剩余的α-淀粉酶失活。在将反应混合物缓慢冷却到30℃后，加入3.7升4M的乙酸缓冲溶液(pH5)和1.3升的水，以将pH调节到5。将反应溶液加热到60℃，然后加入62.5克支链淀粉酶(从Bacillusacidopullulyticus,Novo Nordisk来的Promozyme；EC 3.2.1.4)，并在该温度下将溶液搅拌22小时。
将含有氢氧化季铵溶液的离子交换树脂(Amberlite IRA 402 OH；0.95eq/L,Rohm and Hass,75L)放置到另一个100升反应器中并加热到50℃。在24小时内，将由上面酶反应制备的寡糖溶液和30％的过氧化氢滴加到反应溶液中，并在该温度下搅拌混合物1小时。将反应溶液冷却到室温并倒入柱中。用100公斤水洗提以除去离去基团、葡萄糖和其它副产物，用110公斤3wt％的NaOH水溶液洗提，以得到(S)-3,4-二羟基丁酸的钠盐。采用NMR分析证明了制备的(S)-3,4-二羟基丁酸的钠盐。1H-NMR(D2O,ppm)δ2.27(dd,1H),2.39(dd,1H),3.41(dd,1H),3.51(dd,1H),3.8~3.9(m,1H)将反应溶液浓缩并加入10升甲醇。将硫酸加入以调节pH为4~5，然后在50℃下将反应溶液搅拌3小时。将碳酸钠加入以中和溶液，将反应溶液过滤以除去副产物，然后将甲醇浓缩以得到(S)-3,4-二羟基丁酸甲酯。通过与内标比较，以NMR分析证明了(S)-3,4-二羟基丁酸甲酯的形成(转化率92％)。1H-NMR(CDCl3,ppm)δ2.5(dd,2H),3.5(dd,1H),3.δ(dd,1H),3.7(s,3H),4.1(m,1H)实施例2(S)-3-羟基-γ-丁内酯的制备将10升水和5公斤干的支链淀粉加入到50升的反应器中。当将反应器加热到55℃后，加入12克α-淀粉酶(从Bacillusamyloliquefaciens,Novo Nordisk来的Teramyl；EC 3.2.1.1)。在将反应溶液加热到85℃后，在该温度下搅拌反应溶液2小时。加入5毫升0.1N的HCl溶液以调节pH为3.0-3.5，然后，在90℃下搅拌反应溶液1小时，以使剩余的α-淀粉酶失活。在将反应缓慢冷却到30℃后，加入3.7升4M的乙酸缓冲溶液(pH5)和1.3的升水，以将pH调节到5。将反应溶液加热到60℃，然后加入62.5克支链淀粉酶(从Bacillus acidopullulyticus,Novo Nordisk来的Promozyme；EC3.2.1.4)，并在该温度下将反应溶液搅拌22小时。将碱性阴离子交换树脂(Amberlite IRA 402 OH；0.95eq/L,Rohm and Hass,75L)填充到直径10厘米、高100厘米的柱中并将它加热到50℃。在24小时内，滴加由上面酶反应制备的寡糖和30％的过氧化氢溶液(5.25公斤)。将柱中的反应混合物冷却到室温。用100公斤水洗提以除去离去基团、葡萄糖和其它副产物，用110公斤3wt％的NaOH水溶液洗，以解离吸附的(S)-3,4-二羟基丁酸。采用NMR分析证明了制备的(S)-3,4-二羟基丁酸的钠盐。1H-NMR(D2O,ppm)δ2.27(dd,1H),2.39(dd,1H),3.41(dd,1H),3.51(dd,1H),3.8~3.9(m,1H)将反应溶液浓缩并加入10升的甲醇。在该溶液中加入甲烷磺酸以调节pH为4~5，然后在50℃下将反应溶液搅拌3小时。冷却后，将碳酸钠加入以中和溶液，并将反应溶液过滤以除去副产物，然后，将甲醇浓缩以得到(S)-3,4-二羟基丁酸甲酯。通过与内标比较，以NMR分析证明了(S)-3,4-二羟基丁酸甲酯的形成(转化率92％)。1H-NMR(CDCl3,ppm)δ2.5(dd,2H),3.5(dd,1H),3.6(dd,1H),3.7(s,3H),4.1(m,1H)不进行任何分离，通过加入0.5wt％浓HCl，在减压下的65℃下使制备的(S)-3,4-二羟基丁酸甲酯成环。用乙酸乙酯溶解得到的溶液并用碳酸钠中和得到的溶液。在过滤和浓缩得到的溶液后，得到(S)-3-羟基-γ-丁内酯(2.83公斤，所用支链淀粉的56.6wt％)。1H-NMR(CDCl3,ppm)δ2.28(dd,1H),2.74(dd,1H),4.13(dd,1H),4.32(dd,1H),4.4-4.5(m,1H)。实施例3(S)-3-羟基-γ-丁内酯的制备如实施例2，但在使制备的(S)-3,4-二羟基丁酸甲酯成环时，采用1wt％的甲烷磺酸，而不用浓HCl，它的成环是在减压下的65℃下进行的。得到的溶液溶解在乙酸乙酯中，并用碳酸钠将它中和。在过滤和浓缩得到的溶液后，得到(S)-3-羟基-γ-丁内酯(2.80公斤，所用支链淀粉的56wt％)。1H-NMR(CDCl3,ppm)δ2.28(dd,1H),2.74(dd,1H),4.13(dd,1H),4.32(dd,1H),4.4-4.5(m,1H)。实施例4(S)-3,4-二羟基丁酸甲酯的制备如实施例1，但采用叔丁基过氧化氢(4.16公斤)而不是H2O2作为氧化剂，得到(S)-3,4-二羟基丁酸甲酯。通过与内标比较，以NMR分析证明了(S)-3,4-二羟基丁酸甲酯的形成(转化率91％)。1H-NMR(CDCl3,ppm)δ2.5(dd,2H),3.5(dd,1H),3.6(dd,1H),3.7(s,3H),4.1(m,1H)。对比实施例1从淀粉制备(S)-3-羟基-γ-丁内酯将20升水和5公斤干的淀粉加入到50升的反应器中，并将温度升高到70℃。在48小时内，将40％的NaOH(8.64公斤)溶液和30％的H2O2(5.25公斤)溶液滴加到反应溶液中，并在该温度下搅拌反应溶液1小时。如实施例2，将反应溶液酯化和成环，以得到(S)-3-羟基-γ-丁内酯(1.1公斤，所用淀粉重量的22.0wt％)。对比实施例2从淀粉制备(S)-3-羟基-γ-丁内酯将10升0.5N的HCl溶液和5公斤干的淀粉加入到50升的反应器中，并在100℃下使淀粉水解20分钟。在将溶液冷却到20℃后，用100毫升40％的NaOH溶液中和溶液并将温度升高到70℃。在48小时内，将40％的NaOH(8.64公斤)溶液和30％的H2O2(5.25公斤)溶液滴加到反应溶液中，并在该温度下搅拌反应溶液1小时。如实施例2，将反应溶液酯化和成环，以得到(S)-3-羟基-γ-丁内酯(1.22公斤，所用淀粉重量的24.4wt％)。对比实施例3从直链淀粉制备(S)-3-羟基-γ-丁内酯将20升水和5公斤干的直链淀粉加入到50升的反应器中，并将温度升高到70℃。在48小时内，将40％的NaOH(8.64公斤)溶液和30％的H2O2(5.25公斤)溶液滴加到反应溶液中，并在该温度下搅拌反应溶液1小时。如实施例2，将反应溶液酯化和成环，得到(S)-3-羟基-γ-丁内酯(1.35公斤，所用直链淀粉重量的27.0wt％)。实验实施例1对比不同原料的(S)-3-羟基-γ-丁内酯的收率对于含有表1所示的各种碳水化合物的反应溶液，如实施例2进行氧化、酯化和成环，得到(S)-3-羟基-γ-丁内酯。(S)-3-羟基-γ-丁内酯的收率如表1所示。
表1
表1显示对于二糖，相对质量转化率低到23.7wt％。另一方面，如果采用特殊的酶处理，将支链淀粉转化为寡糖，则相对质量转化率被提高到56.6wt％，几乎是二糖的两倍。如果不用酶处理支链淀粉，则相对质量转化率低到20.2wt％。实验实施例2(S)-3-羟基-γ-丁内酯的光学纯度分析采用下面的方法合成(S)-3-醋酸基-γ-丁内酯，以分析由本发明和常规制备方法所制备的(S)-3-羟基-γ-丁内酯的光学纯度。
将102毫克(1mmol)以每种方法制备的(S)-3-羟基-γ-丁内酯溶解在3毫升的二氯甲烷，将0.4毫升(5mmol)吡啶和0.47毫升(5mmol)乙酸酐加入到溶液中。3小时后，用1N的HCl终止反应。用二氯甲烷萃取(S)-3-醋酸基-γ-丁内酯。结束后，用二氧化硅凝胶柱色谱仪提纯(S)-3-羟基-γ-丁内酯。将得到的(S)-3-醋酸基-γ-丁内酯溶解在二氯甲烷中，用注射器取出0.5μ1进行GC分析。结果如下面表2和图1a~1c所示。
表2
为了提高医疗效果并使副作用最小，对于手性化合物，需要高于99.5％ee的高光学纯度。表2和图1a~1c显示由本发明制备的(S)-3-羟基-γ-丁内酯的光学纯度高达99.9％ee。因此，它非常适合用作其它手性混合物的中间体。结果分别显示于图1a、1b和1c。
如上面介绍，本发明的制备方法提供了以大的量制备(S)-3-羟基-γ-丁内酯的连续方法，即通过从支链淀粉制备具有结构特殊性的寡糖，使副产物的形成最小化，并且通过碱性阴离子交换树脂与氧化剂作用的氧化反应，使副产物的除去变得容易而不需要另外的分离和提纯。
另外，与乳糖和麦芽糖相比，作为原料的支链淀粉容易以低的价格从天然产品中得到，并且得到了光学纯形式。采用从支链淀粉制备的寡糖得到的生产率为采用二糖时的两倍。
因此，本发明解决了采用昂贵金属催化剂来选择性不对称还原反应的缺点，并且使从具有光学纯手性中心的非昂贵天然产品的分离容易，因此，使作为各种医药的手性中间体的工业应用性得到最大化。而且，其相对质量转化率几乎为采用二糖时的两倍。
权利要求
1．从多糖原料制备由下面式1表示的光学纯(S)-3-羟基-γ-丁内酯的连续方法，它包括下面的步骤(a)酶反应支链淀粉为由式2表示的α-(1,4)连接的寡糖；(b)通过碱性阴离子交换树脂与氧化剂的作用氧化寡糖，得到由式3表示的(S)-3,4-二羟基丁酸；(c)接着，在酸催化剂的存在下用醇进行酯化反应，得到由式4表示的(S)-3,4-二羟基丁酸的酯；和(d)在酸催化剂的存在下，环化制备出的(S)-3,4二羟基丁酸的酯，以形成式1表示的(S)-3-羟基-γ-丁内酯，而不需要另外的分离和提纯， 其中M表示氢、碱金属或碱土金属原子；R表示具有1~5个碳原子的直链或支链烷基。
2．根据权利要求1的连续方法，其中通过酶反应制备的所述的寡糖具有3到50个葡萄糖单元。
3．根据权利要求1的连续方法，其中所述的酶反应是在水中或在pH4~8的缓冲溶液中进行的。
4．根据权利要求1的连续方法，其中所述的酶反应是通过α-淀粉酶的酶反应，接着支链淀粉酶的酶反应来进行的。
5．根据权利要求4的连续方法，其中所述的α-淀粉酶的酶反应是在pH4.0~8.0和温度40~120℃的条件下进行的。
6．根据权利要求4的连续方法，其中所述的α-淀粉酶以支链淀粉的0.001~10wt％的范围被采用。
7．根据权利要求4的连续方法，其中所述的支链淀粉酶的酶反应是在pH4.0~8.0和温度40~120℃的条件下进行的。
8．根据权利要求4的连续方法，其中所述的支链淀粉酶以支链淀粉的0.001~10wt％的范围被采用。
9．根据权利要求4的连续方法，其中在进行支链淀粉酶的酶反应前，在α-淀粉酶的酶反应后剩余的α-淀粉酶是在pH2.0~4.5和温度60~150℃的条件下被失活。
10．根据权利要求1的连续方法，其中所述的氧化反应是在30~65℃的范围内进行的。
11．根据权利要求1的连续方法，其中用于所述的氧化反应的氧化剂是选自过氧化氢、碱金属过氧化物、碱土金属过氧化物和烷基过氧化氢。
12．根据权利要求11的连续方法，其中所述的氧化剂为过氧化氢。
13．根据权利要求11的连续方法，其中所述的氧化剂为叔丁基过氧化氢。
14．根据权利要求1或权利要求11的连续方法，其中所述的氧化剂是以支链淀粉的每摩尔葡萄糖单元的1-3当量的范围被采用。
15．根据权利要求1的连续方法，其中用于所述的氧化反应的碱性阴离子交换树脂为含有季铵官能团的强碱性离子交换树脂。
16．根据权利要求1或权利要求11的连续方法，其中所述的碱性离子交换树脂是以支链淀粉的每摩尔葡萄糖单元的2-4当量的范围被采用。
17．根据权利要求1的连续方法，其中在氧化后，所述的阴离子交换树脂用2~50wt％的碱金属氢氧化物或碱土金属的氢氧化物的水溶液洗提，以得到(S)-3,4-二羟基丁酸。
18．根据权利要求17的连续方法，其中所述的水溶液为氢氧化钠溶液。
19．根据权利要求1的连续方法，其中用于所述的酯化反应的酸催化剂为选自盐酸、硫酸、磷酸和硝酸的无机酸。
20．根据权利要求1的连续方法，其中用于所述的酯化反应的酸催化剂为选自氟代烷基磺酸、芳烷基磺酸、芳烷基磺酸的水合物和三氟乙酸的有机酸。
21．根据权利要求1的连续方法，其中所述的酯化反应是在30-80℃的温度范围内进行的。
22．根据权利要求1的连续方法，其中用于所述的环化反应的酸催化剂为选自盐酸、硫酸、磷酸和硝酸的无机酸。
23．根据权利要求1的连续方法，其中用于所述的环化反应的酸催化剂为选自氟代烷基磺酸、芳烷基磺酸、芳烷基磺酸的水合物和三氟乙酸的有机酸。
24．根据权利要求1的连续方法，其中所述的环化反应是在30-80℃的温度范围内进行的。
全文摘要
本发明涉及到制备由式1表示的光学纯(S)－3－羟基－γ－丁内酯的连续方法,并且更具体地,涉及到能够以大的量经济地制备光学纯(S)－3－羟基－γ－丁内酯的方法,即通过(a)在特定条件下,用酶反应容易从天然产品中获得的支链淀粉,制备具有适当糖分布的α－(1,4)－连接的寡糖;和(b)在特定条件下,顺序地进行氧化、酯化和环化反应。
文档编号C12P19/14GK1316010SQ99810314
公开日2001年10月3日 申请日期1999年7月23日 优先权日1998年7月24日
发明者千钟弼, 赵翼行, 卢炅淥, 朴英美, 柳昊成, 黄大一 申请人:三星精密化学株式会社