Способ получения d, l-биотина

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ D,L-БИОТИНА с использованием в качестве исходного соединения 4-бензоиламино-3-оксо-2-( -метоксикарбонилбутилиден) тиофана и выделением целевого продукта, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода биотина и стереоспецифичности процесса, 4-бензоиламино-3- оксо-2- ( d -метоксикарбонилбутилиден) тиофан восстанавливают боргидридом щелочного металла в среде спирта в r-4-бензоиламино-транс-3- окси-2- ( d метоксикарбонилбутилиден) тиофан, полученное соединение подвергают дебензилированию и гидролитическому отщеплению метоксильной группы в водно-спиртовой щелочной среде при кипячении с последующим подкислением и выделением r-4-амино-транс-3- окси-2- ( d -карбоксибутилиден)тиофана с помощью низшего алифатического спирта, который подвергают прототропной изомеризации под действием раствора хлористого водорода в органическом растворителе с последующим действием на полученное соединение изоцианатом калия в водной среде, образовавшийся гексагидро-4-( d -метоксикарбонилбутил)- 3а-окси-2-оксо-1H-тиено [3,4-d] имидазол дегидратируют при действии алифатической кислоты и ее ангидрида в d,l2, 3, 4, 6-тетрагидро-4-( d -метоксикарбонилбутил) -2-оксо-H-тиено [3,4-d]имидазол, полученное соединение нагревают при 105-115^oС с уксусным ангидридом с последующим каталитическим гидрированием с 5 10%-ным Pd/C при 80-90^oС и давлении 45-60 атм.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что подкисление проводят до pH 5-6 минеральной или органической кислотой.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического растворителя при прототропной изомеризации применяют спирт, бензол или ацетонитрил.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве алифатической кислоты и ее ангидрида при дегидратации применяют уксусный или трифторуксусный ангидрид и уксусную кислоту.

Предлагается усовершенствованный способ получения d,l-биотина, цис-гексагидро-4-( -карбоксибутил)-2-оксо-1Н-тиено[3,4-d] имидазола, витамина Н. Биотин используется в медицинской и пищевой промышленности, а также в животноводстве.
Известен способ получения d,l-биотина из полуальдегида адипинового эфира (соединение II, схема 1), который конденсируют с нитрометаном в щелочной среде в метиловый эфир 6-окси-7-нитрогептановой кислоты (соединение III), последний при действии пятихлористого фосфора превращают в 6-хлорпроизводное (IV), а затем при действии меркаптоуксусной кислоты в присутствии триэтиламина получают 6-карбоксиметилтио-7-нитрогептановую кислоту (V). Это соединение в виде соли с дицикло- гексиламином под действием дициклогексилкарбодиимида циклизуют в 2- ( -метоксикарбонилбутил)-3-нитро-4-окси-2,5-дигид- ротиофен, выделяемый в виде натриевого производного (соединение VI). Под действием раствора серной кислоты в метиловом спирте происходит перегруппировка этого соединения в тиофановый нитрокетон (VII), затем восстановление нитрогруппы этого соединения в аминогруппу каталитическим гидрированием с палладиевым на угле катализатором приводит к получению гидрохлорида 2-( -метоксикарбонил-бутил)-3-ок- сотиофана (VIII), а в результате взаимодействия этого соединения с изоцианатом калия приходят к получению гексагидро-4- ( -метоксикарбонилбутил)-6а-окси-2-оксо-1Н-тиено[3,4-d] имидазола (IX). Дегидратация соединения IX при действии уксусного ангидрида дает эфир 3а, 6а-дегидробиотина (соединение XII), который восстанавливают триэтилсиланом в трифторуксусной кислоте в метиловый эфир биотина (XIII) и в результате гидролиза получают d,l-биотин (соединение I). По другому варианту из эфира IX первоначально получают 6а-оксибиотин (Х), затем 3а, 6а-дегидробиотин (XI) и, наконец, путем его восстановления боргидридом натрия в водном метиловом спирте d,l-биотин (I).
Недостатком этого способа синтеза d,l-биотина является использование труднодоступного сырья (эфир адипинового полуальдегида синтезируется в четыре стадии).
Кроме того, циклизация 6-карбоксиметилтио-7-нитрогептановой кислоты (V) в 2- ( -метоксикарбонилбутил)-3-нитро-4-окси-2,5- дигидротиофен (VI) протекает с низким выходом.
Восстановление эфира дегидробиотина XII с триэтилсиланом в трифторуксусной кислоте или с триметилборановым комплексом в соляной кислоте и диоксане или уксусной кислоте, а дегидробиотина XI боргидридом натрия в водном метиловом спирте протекает с невысоким выходом.
Реакция восстановления соединений XI и XII указанными реагентами имеет низкую стереоспецифичность и сопровождается образованием значительного количества стереоизомерного эпибиотина (свыше 15%). Все это сказывается на общем выходе биотина, который невелик и составляет 2,8%
Известно усовершенствование описанного способа получения d,l-биотина на его последних стадиях, заключающееся в том, что метиловый эфир дегидробиотина XII предварительно подвергают ацетилированию в метиловый эфир диацетилдегидробиотина XIV, который после выделения гидрируют в среде уксусного ангидрида и уксусной кислоты с катализатором Pd/C в метиловый эфир диацетилбиотина XV; это соединение после гидролиза защитных групп превращают в d, l-биотин.
Указанный способ модернизации имеет многие недостатки, перечисленные для описанного способа получения d, l-биотина, кроме того, вводится дополнительная стадия синтеза.
Известен также способ синтеза d,l-биотина из доступного L-цистина. L-Цистин (соединение II, схема 2) восстанавливают натрием в жидком аммиаке в L-цистеин (натриевое производное) (соединение III), который конденсируют с хлоруксусной кислотой в S-карбоксиметилцистеин (IV). Реакциями бензоилирования и этерификации в амино- и карбоксильные группы вводят защитные группировки и получают диметиловый эфир N-бензоил-S-карбоксиметилцистеина (V). В результате внутримолекулярной конденсации по реакции Дикмана соединение V превращают в енольную форму -кетоэфира (натриевое производное (соединение VI), который в результате декарбоксилирования в смеси уксусной и соляной кислот при 125^оС образует 4-бензоиламино-3-оксотиофан (VII). В положение 2 этого соединения путем конденсации с метиловым эфиром полуальдегида глутаровой кислоты вводят алифатическую боковую цепь, характерную для молекулы биотина, что приводит к получению 4-бензоиламино-3-оксо-2-( -метоксикарбонилбутилиден)тиофана (VIII) с общим выходом 14,4% считая на исходный цистин.
Из соединения (VIII) в результате ряда нестереоспецифичных реакций образуются три диастереоизмерные формы биотина. Первоначально из соединения VIII получают оксим IX, его восстанавливают цинком в среде уксусного ангидрида и уксусной кислоты в смесь двух изомерных соединений (Х, выход 25% и XI), а после их разделения и каталитического гидрирования на палладиевом катализаторе образуются три стереоизомерных соединения (XII, XIV и XVI). После разделения и обработки каждого из этих соединений гидратом окиси бария в водном растворе получают диаминокарбоновые кислоты (XIII, XV и XVII), а в результате взаимодействия с фосгеном рацемические биотин, аллобиотин и эпиаллобиотин. Выход d, l-биотина составляет 7,8% считая на 4-бензоиламино-3-оксо-2- ( -метоксикарбонилбутилиден)тиофан (VIII), или 1,1% считая на L-цистин.
Недостатком этого способа получения d,l-биотина является низкий выход, так как метод синтеза нестереоспецифичен. Выход d,l-биотина составляет 1,1% считая на исходный цистин, и 7,8% считая на 4-бензоиламино-3-оксо-2-( -метоксикарбонилбути- лиден)тио- фан. Кроме того, использование фосгена (ОВ) значительно усложняет технологическое оформление процесса.
Целью изобретения является повышение выхода и стереоспецифичности синтеза d,l-биотина.
Указанная цель достигается тем, что 4-бензоиламино-3-оксо-2-( -метоксикарбонилбутилиден)тиофан (соединение VIII, схема 3) восстанавливают боргидридом щелочного металла (калия или натрия) в среде спирта в r-4-бензоиламино-транс-3-окси-2- ( -метоксикарбонилбутилиден)тиофан (соединение IV, выход 90% в качестве спирта применяют метиловый, этиловый или другой низший алифатический спирт). Соединение IX используют для получения r-4-амино-транс-3-окси-2-( -карбоксибутил-иден)тиофана (соединение Х, выход 90,7%); снятие бензоильной защиты и отщепление метоксильной группы осуществляют щелочным гидролизом в водно-спиртовой щелочной среде при кипячении с последующим подкислением преимущественно до рН 5-6.
Для подкисления применяют минеральную или органическую кислоту, например уксусную, для выделения же вещества используют метиловый, этиловый, пропиловый или другой низший алифатический спирт. Строение соединения Х маслообразного вещества доказано данными элементного анализа и спектра ПМР. Соединение Х подвергают прототропной перегруппировке под воздействием раствора хлористого водорода в метиловом спирте или другом органическом растворителе, в качестве которого применяют, например, спирт (метиловый, этиловый или другой), бензол, ацетонитрил и др. В этой реакции происходит образование промежуточного гидрохлорида 4-амино-3-оксо-2-( -метоксикарбонилбутил)тиофана (XI), это промежуточное соединение без выделения обрабатывают изоцианатом калия в водной среде и получают ключевое бициклическое соединение в этом синтезе биотина гексагидро-4-( -метоксикарбонилбутил)-3а-окси-2-оксо-1Н-тиено[3,4-d] имидазол (соединение XII, выход 89,8%), бесцветное вещество с т. пл. 140-141^оС. Структура соединения XII установлена на основании данных элементного анализа, спектра ПМР и масс-спектра. Затем гексагидро-2-( -метоксикарбонилбутил)-3а-окси-2-1Н-тиено [3,4-d] имидазол подвергают дегидратации под действием алифатической кислоты и ее ангидрида, в качестве которых применяют, например, уксусный или трифторуксусный ангидрид и уксусную кислоту, что приводит к образованию d, l-2,3,4,6- тетрагидро-4-( -метоксикарбонилбутил)-2-оксо-1Н-тиено[3,4-d] имидазола (метилового эфира 3а, 6а-дегидробиотина, соединение XIII, выход 87,2%), бесцветного кристаллического вещества с т.пл. 171-173^оС. Это соединение охарактеризовано элементным анализом, данными спектра ПМР- и масс-спектра. Соединение XIII в растворе уксусного ангидрида нагревают при 105-115^оС 6-8 ч и гидрируют с катализатором 5-10% Рd/C под давлением, например, 45-60 атм и при температуре, например, 80-90^оС в течение 7 ч. Восстановление протекает стереоизбирательно, образуется полная цис-конфигурация полученного соединения с незначительной примесью эпиизомера (менее 5%), после удаления уксусного ангидрида остаток подвергают щелочному гидролизу, выделяют технический биотин, который подвергают перекристаллизации и получают d,l-биотина (соединение 1, выход 75%) в виде бесцветных игл с т.пл.231-232^оС.
Выход d,l-биотина, считая на 4-бензоиламино-3-оксо-2-( -метоксикарбонилбутилиден)тиофан (VIII), составляет 46,5-48,5%
П р и м е р 1. r-4-Бензоиламино-транс-3-окси-2( -метоксикарбонилбутили- ден)тиофан (IX).
К раствору 50 г (0,09 моль) 4-бензоиламино-3-оксо-2-( -метоксикарбонилбутилиден)тиофана (VIII) в 450 мл метилового спирта и 10 мл воды прибавляют при размешивании в течение 2 ч 5,65 г (0,09 моль) NaBH₄ при 0-5^оС, затем температуру повышают до комнатной и продолжают размешивать еще 2 ч. Приливают 250 мл воды, подкисляют 2,5 н. соляной кислотой до рН 2 и выдерживают при 0-5^оС 18-20 ч. Выделившийся осадок отфильтровывают, промывают водой. Получают 40,7 г (80,9%) r-4-бен- зоиламино-транс-3-окси-2-( -метоксикарбо- нилбутилиден)тиофана (IX) в виде бесцветных пластин с т.пл. 125-126^оС (из метанола). Фильтрат экстрагируют хлороформом, хлороформ удаляют в вакууме. Остаток (5,0 г) представляет собой не вступившее в реакцию вещество (соединение XIII). Выход соединения (iX), считая на вещество, вступившее в реакцию, составляет 90,0%
Найдено, C 60,8; H 6,4; N 4,1.
C₁₇H₂₁NO₄S
Вычислено, C 60,9; H 6,3; N 4,2.
П р и м е р 2. Процесс проводят аналогично примеру 1, восстановление КВН₄ проводят в этиловом спирте при 18-25^оС, выход 89,0%
П р и м е р 3. Процесс проводят аналогично примеру 1, восстановление осуществляют в среде 90%-ного метилового спирта, выход 90%
П р и м е р 4. r-4-Амино-транс-3-окси-2- ( -карбоксибутилиден) тиофан (Х).
Смешивают 90 мл этилового спирта, 90 мл (0,9 моль) 40%-ного раствора едкого натра и 18 г (0,054 моль) R-4-бензоиламино-транс-3-окси-2-( -метоксикарбонилбу- тилиден) тиофана (IX), затем смесь нагревают при кипячении 11 ч. По окончании реакции охлаждают до 0-5^оС и подкисляют 18%-ной соляной кислотой (около 150 мл) до рН 5,5-6, после чего бензолом (3 раза по 50 мл) экстрагируют из раствора бензойную кислоту. Из спиртового раствора отгоняют растворители досуха, из остатка экстрагируют вещество метиловым спиртом (5 раз по 50 мл). Из экстракта отгоняют метиловый спирт и остаток сгущают до маслообразного состояния. Получают 10,7 г (90,7%) r-4-амино-транс-3-окси-2-( -карбоксибу- тилиден)тиофана (Х). Строение этого соединения подтверждено спектром ПМР в дейтеропиридине.
Спектр ПМР (С₅D₅N, ), м.д. 5,92 (5H'); 5,33 (3Н); 4,12 (4Н); 3,68 (5Н', 5Н"); 1,45-2,62 [(CН₂)₃] J 5Н', СН₂ 6,6; J 3Н: 4Н 6,9; J 4H, 5H 6,9; J 4Н, 5Н" 6,9 Гц.
Найдено, C 49,90; H 7,0; N 6,35.
C₉H₁₅NO₃S
Вычислено, C 49,73; H 6,95; N 6,47.
П р и м е р 5. Процесс проводят аналогично примеру 4, но подкисляют уксусной кислотой до рН 5-5,5, выход 87,6%
П р и м е р 6. Процесс проводят аналогично примеру 4, вещество экстрагируют этиловым спиртом, выход 88,1%
П р и м е р 7. Процесс проводят аналогично примеру 4, вещество экстрагируют н-пропиловым спиртом, выход 88,9%
П р и м е р 8. Гексагидро-4-( -метоксикарбонилбутил)-3а-окси-2-оксо-1Н-тиено[3, 4-d]имидазол (XII).
В 100 мл метилового спирта растворяют 12 г (0,044 моль) r-4- аимно-транс-3-окси-2- ( -карбоксибутилиден)тиофана (Х), раствор охлаждают до 5^оС и для изомеризации пропускают в него газообразный хлористый водород в течение 1 ч 30 мин. Затем в вакууме из раствора отгоняют растворитель досуха, остаток растворяют в 100 мл воды и при хорошем перемешивании постепенно прибавляют 6 г (0,073 моль) изоцианата калия при температуре 18^оС, поддерживая при этом рН раствора 4-5. При этой же температуре размешивают 3 ч, охлаждают и выдерживают реакционную смесь при 0-5^оС 18 ч. Выделившийся осадок отфильтровывают, промывают 20 мл охлажденной воды и сушат при 30-40^оС в вакууме. Получают 13,6 г (89,8%) гексагидро-4-( -метоксикарбонилбутил)-3а-окси-2-оксо-1Н-тиено[3,4-d] имидазола (XII) в виде бесцветных пластинок с т.пл. 140-141^оС (из метилового спирта).
Масс-спектр, m/e: 274 (М⁺), 256, 225, 214, 182, 141, 127.
Спектр ПМР (C₅D₅N, ) м.д. 4,06 (3аН), 3,68 (ОСН₃), 3,21 4Н'; (4Н"), 2,55 4" (4H'), 1,10-2,45 [(CH₂)₄] J 4H', 3aH 6,1, J 4H", 3aH 5,0, J 4H', 4H" 12,3 Гц.
Найдено, C 47,93; 48,20; H 6,39, 6,44; N 10,19; 10,36.
C₁₇H₁₈N₂O₄S
Вычислено. C 48,16; H 6,62; N 10,21.
П р и м е р 9. К 12 г (0,044 моль) r-4-амино-транс-3-окси-2-( -карбоксибутилиден)тиофана (Х) при 0-5^оС приливают 70 мл 10%-ного раствора хлористого водорода в метиловом спирте и реакционную смесь размешивают 1 ч при той же температуре. Дальнейшую обработку осуществляют так, как описано в примере 8, выход 85,3%
П р и м е р 10. Процесс осуществляют аналогично примеру 8, но изомеризацию проводят 15%-ным раствором хлористого водорода в метиловом спирте, выход 86,3%
П р и м е р 11. Процесс проводят аналогично примеру 8, изомеризацию r-4-амино-транс-3-окси-2-( -карбоксибутилиден)тио- фана (X) ведут в растворе ацетонитрила или бензола с последующим добавлением метилового спирта, а реакцию с изоцианатом калия при температуре 0^оС. Выход гексагидро-4( -метоксикарбонилбутил)-3а-окси-2-оксо-1Н-тиено[3,4-d] имидазола (XII) 82,1%
П р и м е р 12. d,l-2,3,4,6-Тетрагидро-4- ( -метоксикарбонилбутил)2-оксо-1н-тиено -[3,4-d] имидазол (XIII).
К раствору 8,6 г (0,031 моль) гексагидро-4-( -метоксикарбонилбутил)-3а-окси-2-оксо- -1Н-тиено[3,4-d] имидазола (ХII) в 60 мл ледяной уксусной кислоты прибавляют 4 мл уксусного ангидрида, нагревают при размешивании 4 ч при 55-60^оС, охлаждают, приливают 200 мл воды и выдерживают при 0-5^оС 18-20 ч. Выделившийся осадок отфильтровывают, промывают охлажденной водой и сушат. Получают 7,1 г (87,2% ) d,l-2,3,4,6-тетрагидро-4-( -метоксикарбонил- бутил)2-оксо-1Н-тиено[3,4-d] имидазола в виде бесцветных кристаллов с т.пл. 170-171^оС (из метилового спирта).
Масс-спектр, m/e: 256 (М⁺), 196, 163, 153, 141.
Спектр ПМР (С₅D₅N, ), м.д. 4,33 (6Н), 3,83 (4Н', 4Н"), 3,68 (ОСН₃), 1,06-2,51 [(CH₂)₄] J 4H', 6H J 4H", 6H 2,9 Гц.
Найдено, C 51,24; 51,31; H 6,52; 6,37; N 10,95, 10,85
C₁₁H₁₆N₂O₃S
Вычислено, C 51,54; H 6,29; N 10,93.
П р и м е р 13. К раствору 2,2 г (0,018 моль) гексагидро-4-( - метоксикарбонилбутил)-3а-окси-2-оксо-1Н-тиено[3,4-d] имидазола (XII) в 15 мл ледяной уксусной кислоты после его охлаждения до 15^оС прибавляют 0,5 мл трифторуксусного ангидрида, нагревают при размешивании 1 ч при 25-30^оС. Дальнейшую обработку осуществляют так, как описано в примере 12, выход 85,1%
П р и м е р 14. r-Биотин: d,l-цис-гексагидро-4-( -карбоксибутил)2-оксо-1Н-тие- но[3,4-d] имидазол (I).
Смешивают 5 г (0,019 моль) d,l-2,3,4,6-тетрагидро-4-( -метоксикарбонилбутил)-2-оксо-1Н-тиено[3,4-d] тиофана (XIII) и 250 мл уксусного ангидрида (перегнанного) и образующийся раствор нагревают при 105-115^оС 6-8 ч. Затем раствор охлаждают и гидрируют с 5% Pd/C при энергичном размешивании, при 45-60 атм и температуре 80-90^оС в течение 7 ч. По окончании реакции раствор охлаждают до 40^оС, катализатор отфильтровывают и промывают на фильтре теплым уксусным ангидридом (2 раза по 30 мл) и из раствора отгоняют в вакууме уксусный ангидрид досуха. К остатку прибавляют 100 мл раствора 1 н.едкого натра и кипятят 1 ч. Охлаждают и концентрируют в вакууме до объема 40 мл, охлаждают до 0^оС, подкисляют 20 мл 5 н.раствора соляной кислоты до рН 1 и выдерживают при 0-5^оС 3 ч. Выделившийся осадок отфильтровывают, промывают охлажденной водой (2 раза по 15 мл) и смесью спирта с эфиром (1:1, 2 раза по 20 мл). Получают 3,9 г технического биотина с т.пл. 222-224^оС. Вещество перекристаллизовывают на 40 мл уксусной кислоты с 0,3 г активированного угля. Получают 3,57 г d, l-биотина (I), выход 75,0% считая на соединение XIII; бесцветные кристаллы с т. пл. 231-232^оС (из воды), по литературным данным 231-232 ^оС. Вещество показало 49,8-49,9%-ную активность по отношению к d,l-биотину при микробиологическом испытании на Lactobacillus plantarum ВКМ-878.
Спектр ПМР (в ДМСО-d₆ при 80^оС, , м.д. 3aH 4,34; цис 4Н', 2,84, транс 4Н" 2,61; 6Н 3,12; 6аН 4,17; СH₂-СООН 2,02-2,32; (СН₂)₃ 1,15-1,80; NH 6,25; J 3аН, 4Н' 4,1 Гц; J 3аН, 4Н" 1,7 Гц; J 4Н', 4Н" 12,3 Гц; J ^3аН, 6аН 7,8 Гц; J 6Н, 6аН 4,4 Гц.
Таким образом, предложен новый оригинальный стереоспецифичный метод синтеза d,l-биотина, который дает возможность почти полностью исключить образование побочных стереоизомеров биотина и повысить выход целевого продукта, считая на 4-бензоиламино-3-оксо-2-( -метоксикарбо-нилбутилиден)тиофан с 7,8 до 46,5-48,5% от теоретического (в 6 раз по сравнению с известным). Кроме того, исключение фосгена как одного из реагентов в синтезе d,l-биотина значительно повышает технику безопасности процесса.