专利名称：生产丙酮酸的方法
技术领域：
本发明涉及生产丙酮酸的方法。
丙酮酸及其盐是在活体内碳水化合物代谢途径中找到的重要中间产物。为了了解这种代谢途径，可以使用富含同位素的丙酮酸或其盐，例如13C-14C-丙酮酸，从而允许通过13C-NMR或放射性探测方法，来探测活体内产生的代谢物。
本领域已知数种生产丙酮酸的方法，其大概分为涉及利用微生物或酶的方法和化学合成的方法。
基于酶的生产丙酮酸的方法的一个实例是乳酸的酶促氧化，其例如描述于WO-A-95/00656中。酶促氧化常常导致产生副产物，如在所述酶促氧化过程中产生过氧化氢。而且，将酶促方法的规模扩大到工业生产水平常常是有问题的或不可能的。涉及使用微生物的生产丙酮酸的方法的例子例如描述于EP-A-313 850中。这些微生物学上的生产方法的一个缺点是，从复杂的反应混合物，例如从复杂的发酵液中分开、分离和纯化丙酮酸常常是困难的并且费时的。
用于生产丙酮酸的化学合成的实例主要基于各种起始材料的氧化，起始材料例如是丙二醇(EP-A-337246中对其进行了描述)、羟基丙酮(US-A-4247716中描述)或乳酸(参见JP-A-8183753中的例子)。但是，为了制造富含同位素14C-或13C-的丙酮酸，非常优选使用可商业购买的富含同位素的起始材料或者经直接化学合成即可获得的富含同位素的起始材料。
S.Anker于1948年在《J.Biol.Chem》第176期(卷)第133-1335页描述了富含2-14C的丙酮酸的合成，它是利用从富含14C的碳酸钡合成的1-14C-乙酸钾获得的，将其转变为1-14C-乙酰溴，随后与氰化亚铜反应生成1-14C-乙酰氰。使乙酰氰反应生成2-14C丙酮酰胺(pyruvamide)，然后将其水解成为2-14C-丙酮酸。使用富含同位素的氰化亚铜和乙酰溴，允许合成在C1-原子上富含同位素的丙酮酸。
由于富含13C的丙酮酸钠可以购买到商品，丙酮酸盐的质子化是获得富含13C丙酮酸的直接方式。US-B-6232497描述了在乙酸乙酯中用70％硫酸对富含13C的丙酮酸钠进行的质子化。
现在我们惊奇地找到一种以高纯度和高产率生产丙酮酸的方法，所述方法包括在溶剂存在下使丙酮酸的盐与盐酸反应，这种溶剂选自由极性的、质子惰性的腈和酮组成的组，分离所获得的粗丙酮酸，并且非必要地纯化所述的粗丙酮酸。
因此，本发明提供一种生产丙酮酸的方法，包括使丙酮酸的盐与盐酸在溶剂或溶剂混合物的存在下反应，这种溶剂或溶剂混合物选自由极性的、质子惰性的腈和酮组成的组，分离所获得的粗丙酮酸，并且非必要地纯化所述的粗丙酮酸。
术语“丙酮酸的盐”和“丙酮酸盐”在下文是可互换使用的。在根据本发明的方法中，用丙酮酸的盐作为起始材料。优选丙酮酸的盐为丙酮酸碱金属盐、丙酮酸碱土金属盐或者包含有机阳离子的丙酮酸盐，更优选的丙酮酸盐是所含阳离子由Li、Na、K、Rb和Cs的组中而来的丙酮酸碱金属盐，并最优选丙酮酸钠和丙酮酸钾。
在一个优选的实施方案中，富含同位素的丙酮酸盐，优选富含13C和14C的丙酮酸盐，并且更优选富含13C的丙酮酸盐被用于本发明方法中。
优选用于本发明方法的丙酮酸盐的同位素富集率是至少75％，更优选至少80％，且尤其优选至少90％，最优选同位素富集率超过90％。理想地，此富集率为100％。丙酮酸酯可在C1、C2或C3位置，在C1和C2位置，在C1和C3位置，在C2和C3位置，或者在C1、C2和C3位置富集同位素；C1位置是优选的位置。
用于本发明方法中的盐酸优选为1至12.1M，更优选8至12.1M。最优选使用浓盐酸，即12.1M的，因为这使粗丙酮酸中的含水量最小化。丙酮酸盐对盐酸的比例可在一定限度内变化，但是已经证实，如果丙酮酸盐与盐酸按照化学计量或者近似化学计量的比率反应，这将特别有利。如果采用近似化学计量的比率，优选盐酸略微过量。
根据本发明方法，采用选自由极性的质子惰性的腈和酮组成的组的溶剂或溶剂混合物。在一个优选的实施方案中，这种溶剂是丙酮、乙酰丙酮、甲乙酮、甲基异丁基酮、乙腈或戊腈或者其混合物。更优选地，该溶剂是丙酮或乙腈或者其混合物。
本发明的方法可在宽的温度范围内进行。由于反应是放热反应，优选将盐酸逐渐加入到丙酮酸盐/溶剂的混合物中，并监控温度。优选添加时的温度低于环境温度，优选为10℃至0℃，这例如可将反应器放在冰浴中冷却而达到。在加入盐酸以后，在环境温度附近的温度，优选在15℃至40℃范围内的温度下方便地进行反应。
在优选的实施方案中，通过从丙酮酸钠或丙酮酸钾和溶剂或溶剂混合物来制备溶液或悬浮液，来完成本发明方法。将所述溶液或悬浮液冷却至约0℃并逐渐加入盐酸。在添加完盐酸以后，将反应混合物升温到环境温度，并搅拌约1至2小时。在反应完成以后，过滤掉沉淀出来的氯化钠或氯化钾。
获得的粗丙酮酸通常含有水和盐。通过例如过滤掉反应中产生的盐和/或蒸发反应中所用的溶剂或溶剂混合物，例如通过在减压和/或升高温度条件下在旋转蒸发器中蒸发，可将粗丙酮酸分离。
在本发明方法的一个优选实施方案中，优选进一步纯化分离出的粗丙酮酸(pyruvic)。纯化方法的选择和其它一些事情均取决于粗丙酮酸中水的存在量，水的存在量又取决于反应中所用的盐酸的浓度。
如果反应中使用含水量较高的盐酸，则优选通过萃取丙酮酸，非必要地接着最终蒸馏所获得的纯化的丙酮酸而完成纯化。为了进行萃取，优选将粗丙酮酸溶解在溶剂或溶剂混合物中，该溶剂或溶剂混合物含有选自以下一组的溶剂，这一组由醚，更优选乙醚、二叔丁基醚或二甲醚，最优选二乙醚组成，并且除去分离开的水和/或盐，例如通过分开所形成的有机层和水性层，和/或过滤盐。随后，优选通过蒸发，例如通过在升高的温度和/或减压下在旋转蒸发器上蒸发，来除去所用的溶剂和溶剂混合物。非必要地，可通过在真空下蒸馏来进一步纯化从萃取中得到的纯化的丙酮酸。
如果在反应中使用浓盐酸，则优选通过沉淀残留的盐来完成纯化，例如，如果用丙酮酸钠作为起始材料，则沉淀氯化钠。为了进行沉淀，向粗丙酮酸中加入溶剂或溶剂混合物，该溶剂或溶剂混合物选自由醚、酯或酮组成的组，更优选将醚和酮，最优选将丙酮加入，以便促进沉淀作用，并过滤掉沉淀出的盐。
随后，除去所用的溶剂或溶剂混合物，优选通过蒸发除去，例如通过高温和/或减压下在旋转蒸发器上的蒸发除去。非必要地，可在真空下进一步蒸馏纯化此纯化过程中获得的纯化的丙酮酸。
可通过各种分析方法来控制所获得的丙酮酸的纯度，例如用NMR确定产物的结构并测定纯度，用HPLC确定纯度并通过GC确定残留的溶剂。
在一个优选实施方案中，将富含13C的丙酮酸盐用于本发明的方法中。本领域已知数种13C-丙酮酸盐的合成方法。在一个优选实施方案中，将13C-丙酮酸盐用于本发明的方法中，其从1，3-二硫杂环己烷合成得到。将二硫杂环己烷金属化并且与CO2和甲基卤反应(Seebach等人，《Journal of Organic Chemistry》(有机化学)，40(2)，1975，231-237)。随后用下述文献中描述的常规方法，例如Corey等人，《J.Org.Chem.》36，1971，3553-3560，释放出羰基官能团。通过使用富含13C的CO2，获得在C1位置富含13C的丙酮酸盐。使用富含13C的甲基卤，例如富含13C的甲基碘，允许制备在C2位置富含13C的丙酮酸盐。使用富含13C的CO2和富含13C的甲基卤导致获得在C1和C2位置富集13C的丙酮酸盐。
由此，在本发明的优选方法中，使用富含13C的丙酮酸盐，它是使1，3-二硫杂环己烷与非必要地富含13C的CO2和非必要地富含13C的甲基卤反应而合成的，其中至少CO2或甲基卤之一是富含13C的化合物。在本发明方法更优选的实施方案中，使用在C1位置富含13C的丙酮酸盐，它是通过使1，3-二硫杂环己烷与富含13C的CO2和甲基卤反应而合成的。
在另一个优选实施方案中，用于本发明方法的13C-丙酮酸盐是通过将乙酸转变成乙酰溴，并随后使乙酰溴与Cu13CN反应而合成的。将所获得的腈经过酰胺转变为在C1位置富含同位素的13C-丙酮酸盐。为了获得在C2位置富含同位素的13C-丙酮酸盐，用能如S.Anker，《J.Biol.Chem》176，1948，第1333-1335页中描述的那样合成的富含13C的乙酸来完成这一合成。为了获得在C1和C2位置富含同位素的13C-丙酮酸盐，将富含13C的乙酸转变成富含13C的乙酰溴，并随后与Cu13CN反应。
从而，在本发明的另一个优选方法中，使用富含13C的丙酮酸盐，其通过将非必要地富含13C的乙酸转变为乙酰溴，并使该乙酰溴与非必要地富含13C的CuCN反应而合成，其中，至少该乙酸或该CuCN是富含13C的化合物。在本发明方法的进一步优选的实施方案中，使用在C1位置富含13C的丙酮酸盐，它是通过将乙酸转变为乙酰溴并使乙酰溴与富含13C的CuCN反应而合成的。
实施例实施例1使13C1-标记的丙酮酸钠(300克)悬浮于冰浴中的反应器里的乙腈(600毫升)中。在搅拌下用1小时的时间逐渐加入浓盐酸(223毫升，12.1M)。在这一添加完成后，去掉冰浴，并于环境温度下用另外2个小时搅拌该悬浮液。经过过滤除去沉淀下来的氯化钠，蒸发滤液以获得粗13C1-丙酮酸(245克)。
向这种粗丙酮酸中添加丙酮(850毫升)和MgSO4(40克)，以便沉淀残留的氯化钠，并经过过滤除去沉淀的盐。蒸发滤液，分离出黄色油状的13C1-丙酮酸。纯度＝99％(NMR)。产量＝223克(93％)；纯丙酮酸的产率，即经盐/水校正过的＝86％。
实施例2使丙酮酸钠悬浮于冰浴中的反应器里的乙腈中(2.4毫升/克丙酮酸钠)。在搅拌下用1小时的时间逐渐加入浓盐酸(1摩尔当量，0.745毫升/克丙酮酸钠，12.1M)。在完成添加后，去掉冰浴，并于环境温度下搅拌该悬浮液约2个小时。经过过滤除去沉淀下来的氯化钠，蒸发滤液以获得粗丙酮酸(0.95-1.2克/克丙酮酸钠)。
向这一粗产物中添加丙酮(4毫升/克丙酮酸钠)，以便沉淀残留的氯化钠，并加入MgSO4(0.15克/克丙酮酸钠)，以便降低含水量。在过滤除去沉淀的氯化钠和MgSO4之前，将溶液放置在冰箱中1小时。蒸发滤液，直到水的水平为低于6％w/w为止。分离出浅黄色油状的丙酮酸。
结果列于表1中。用HPLC测定丙酮酸的纯度。“纯度校正的”是指做了盐和水校正的丙酮酸纯度，这种校正的纯度也用HPLC测定。产率是指纯丙酮酸的产率，即做了盐和水的校正。
表1从12C1-丙酮酸和13C1-丙酮酸的生产中获得的数据
权利要求
1.一种生产丙酮酸的方法，包括使丙酮酸的盐与盐酸在溶剂或溶剂混合物的存在下反应，这种溶剂或溶剂混合物选自由极性的、质子惰性的腈和酮组成的组，分离所获得的粗丙酮酸，以及非必要地纯化所述的粗丙酮酸。
2.根据权利要求1的方法，其中所述的溶剂是丙酮、乙酰丙酮、甲乙酮、甲基异丁基酮、乙腈或戊腈或者其混合物。
3.根据权利要求1至2的方法，其中所述的溶剂是丙酮或乙腈或者其混合物。
4.根据权利要求1至3的方法，其中通过过滤由所述反应产生的盐和/或由蒸发所用的溶剂或溶剂混合物，来分离所述的粗丙酮酸。
5.根据权利要求1至4的方法，其中将所述的粗丙酮酸纯化。
6.根据权利要求5的方法，其中通过萃取丙酮酸，非必要地接着蒸馏纯化的丙酮酸，来进行所述的纯化。
7.根据权利要求5的方法，其中通过沉淀粗丙酮酸中残留的盐，非必要地接着蒸馏纯化的丙酮酸，来进行所述的该纯化。
8.根据权利要求7的方法，其中通过添加溶剂或溶剂混合物来促进所述的沉淀作用，该溶剂或溶剂混合物选自由醚、酯或酮组成的组，优选醚和酮，最优选丙酮。
9.根据权利要求1至8的方法，其中所述丙酮酸的盐是碱金属盐或碱土金属盐，优选丙酮酸钠或丙酮酸钾。
10.根据权利要求1至9的方法，其中所述盐为富含13C的丙酮酸盐。
11.根据权利要求10的方法，其中所述的富含13C的丙酮酸盐是通过使1，3-二硫杂环己烷与非必要地富含13C的CO2和非必要地富含13C的甲基卤反应而合成的，其中至少该CO2或该甲基卤是富含13C的化合物。
12.根据权利要求11的方法，其中富含13C的丙酮酸盐是在C1位置富含13C的丙酮酸盐，它是通过使1，3-二硫杂环己烷与富含13C的CO2和甲基卤反应而合成的。
13.根据权利要求10的方法，其中富含13C的丙酮酸盐是通过将非必要地富含13C的乙酸转变成乙酰溴，并使这种乙酰溴与非必要地富含13C的CuCN反应而合成的，其中至少该乙酸或该CuCN是富含13C的化合物。
14.根据权利要求10的方法，其中富含13C的丙酮酸盐是在C1位置富含13C的丙酮酸盐，它是通过将乙酸转变成乙酰溴，并使乙酰溴与富含13C的CuCN反应而合成的。
全文摘要
本发明涉及生产丙酮酸的方法。
文档编号C07C59/19GK101031534SQ200580033185
公开日2007年9月5日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年10月1日
发明者M·罗兰德斯－加德, J·桑多沙姆, T·托马森, D·格雷斯 申请人:通用电气医疗集团股份有限公司