專利名稱：生產(chǎn)丙酮酸的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生產(chǎn)丙酮酸的方法。
丙酮酸及其鹽是在活體內(nèi)碳水化合物代謝途徑中找到的重要中間產(chǎn)物。為了了解這種代謝途徑，可以使用富含同位素的丙酮酸或其鹽，例如13C-14C-丙酮酸，從而允許通過13C-NMR或放射性探測方法，來探測活體內(nèi)產(chǎn)生的代謝物。
本領(lǐng)域已知數(shù)種生產(chǎn)丙酮酸的方法，其大概分為涉及利用微生物或酶的方法和化學(xué)合成的方法。
基于酶的生產(chǎn)丙酮酸的方法的一個(gè)實(shí)例是乳酸的酶促氧化，其例如描述于WO-A-95/00656中。酶促氧化常常導(dǎo)致產(chǎn)生副產(chǎn)物，如在所述酶促氧化過程中產(chǎn)生過氧化氫。而且，將酶促方法的規(guī)模擴(kuò)大到工業(yè)生產(chǎn)水平常常是有問題的或不可能的。涉及使用微生物的生產(chǎn)丙酮酸的方法的例子例如描述于EP-A-313 850中。這些微生物學(xué)上的生產(chǎn)方法的一個(gè)缺點(diǎn)是，從復(fù)雜的反應(yīng)混合物，例如從復(fù)雜的發(fā)酵液中分開、分離和純化丙酮酸常常是困難的并且費(fèi)時(shí)的。
用于生產(chǎn)丙酮酸的化學(xué)合成的實(shí)例主要基于各種起始材料的氧化，起始材料例如是丙二醇(EP-A-337246中對其進(jìn)行了描述)、羥基丙酮(US-A-4247716中描述)或乳酸(參見JP-A-8183753中的例子)。但是，為了制造富含同位素14C-或13C-的丙酮酸，非常優(yōu)選使用可商業(yè)購買的富含同位素的起始材料或者經(jīng)直接化學(xué)合成即可獲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頁描述了富含2-14C的丙酮酸的合成，它是利用從富含14C的碳酸鋇合成的1-14C-乙酸鉀獲得的，將其轉(zhuǎn)變?yōu)?-14C-乙酰溴，隨后與氰化亞銅反應(yīng)生成1-14C-乙酰氰。使乙酰氰反應(yīng)生成2-14C丙酮酰胺(pyruvamide)，然后將其水解成為2-14C-丙酮酸。使用富含同位素的氰化亞銅和乙酰溴，允許合成在C1-原子上富含同位素的丙酮酸。
由于富含13C的丙酮酸鈉可以購買到商品，丙酮酸鹽的質(zhì)子化是獲得富含13C丙酮酸的直接方式。US-B-6232497描述了在乙酸乙酯中用70％硫酸對富含13C的丙酮酸鈉進(jìn)行的質(zhì)子化。
現(xiàn)在我們驚奇地找到一種以高純度和高產(chǎn)率生產(chǎn)丙酮酸的方法，所述方法包括在溶劑存在下使丙酮酸的鹽與鹽酸反應(yīng)，這種溶劑選自由極性的、質(zhì)子惰性的腈和酮組成的組，分離所獲得的粗丙酮酸，并且非必要地純化所述的粗丙酮酸。
因此，本發(fā)明提供一種生產(chǎn)丙酮酸的方法，包括使丙酮酸的鹽與鹽酸在溶劑或溶劑混合物的存在下反應(yīng)，這種溶劑或溶劑混合物選自由極性的、質(zhì)子惰性的腈和酮組成的組，分離所獲得的粗丙酮酸，并且非必要地純化所述的粗丙酮酸。
術(shù)語“丙酮酸的鹽”和“丙酮酸鹽”在下文是可互換使用的。在根據(jù)本發(fā)明的方法中，用丙酮酸的鹽作為起始材料。優(yōu)選丙酮酸的鹽為丙酮酸堿金屬鹽、丙酮酸堿土金屬鹽或者包含有機(jī)陽離子的丙酮酸鹽，更優(yōu)選的丙酮酸鹽是所含陽離子由Li、Na、K、Rb和Cs的組中而來的丙酮酸堿金屬鹽，并最優(yōu)選丙酮酸鈉和丙酮酸鉀。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，富含同位素的丙酮酸鹽，優(yōu)選富含13C和14C的丙酮酸鹽，并且更優(yōu)選富含13C的丙酮酸鹽被用于本發(fā)明方法中。
優(yōu)選用于本發(fā)明方法的丙酮酸鹽的同位素富集率是至少75％，更優(yōu)選至少80％，且尤其優(yōu)選至少90％，最優(yōu)選同位素富集率超過90％。理想地，此富集率為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位置是優(yōu)選的位置。
用于本發(fā)明方法中的鹽酸優(yōu)選為1至12.1M，更優(yōu)選8至12.1M。最優(yōu)選使用濃鹽酸，即12.1M的，因?yàn)檫@使粗丙酮酸中的含水量最小化。丙酮酸鹽對鹽酸的比例可在一定限度內(nèi)變化，但是已經(jīng)證實(shí)，如果丙酮酸鹽與鹽酸按照化學(xué)計(jì)量或者近似化學(xué)計(jì)量的比率反應(yīng)，這將特別有利。如果采用近似化學(xué)計(jì)量的比率，優(yōu)選鹽酸略微過量。
根據(jù)本發(fā)明方法，采用選自由極性的質(zhì)子惰性的腈和酮組成的組的溶劑或溶劑混合物。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，這種溶劑是丙酮、乙酰丙酮、甲乙酮、甲基異丁基酮、乙腈或戊腈或者其混合物。更優(yōu)選地，該溶劑是丙酮或乙腈或者其混合物。
本發(fā)明的方法可在寬的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。由于反應(yīng)是放熱反應(yīng)，優(yōu)選將鹽酸逐漸加入到丙酮酸鹽/溶劑的混合物中，并監(jiān)控溫度。優(yōu)選添加時(shí)的溫度低于環(huán)境溫度，優(yōu)選為10℃至0℃，這例如可將反應(yīng)器放在冰浴中冷卻而達(dá)到。在加入鹽酸以后，在環(huán)境溫度附近的溫度，優(yōu)選在15℃至40℃范圍內(nèi)的溫度下方便地進(jìn)行反應(yīng)。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，通過從丙酮酸鈉或丙酮酸鉀和溶劑或溶劑混合物來制備溶液或懸浮液，來完成本發(fā)明方法。將所述溶液或懸浮液冷卻至約0℃并逐漸加入鹽酸。在添加完鹽酸以后，將反應(yīng)混合物升溫到環(huán)境溫度，并攪拌約1至2小時(shí)。在反應(yīng)完成以后，過濾掉沉淀出來的氯化鈉或氯化鉀。
獲得的粗丙酮酸通常含有水和鹽。通過例如過濾掉反應(yīng)中產(chǎn)生的鹽和/或蒸發(fā)反應(yīng)中所用的溶劑或溶劑混合物，例如通過在減壓和/或升高溫度條件下在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器中蒸發(fā)，可將粗丙酮酸分離。
在本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，優(yōu)選進(jìn)一步純化分離出的粗丙酮酸(pyruvic)。純化方法的選擇和其它一些事情均取決于粗丙酮酸中水的存在量，水的存在量又取決于反應(yīng)中所用的鹽酸的濃度。
如果反應(yīng)中使用含水量較高的鹽酸，則優(yōu)選通過萃取丙酮酸，非必要地接著最終蒸餾所獲得的純化的丙酮酸而完成純化。為了進(jìn)行萃取，優(yōu)選將粗丙酮酸溶解在溶劑或溶劑混合物中，該溶劑或溶劑混合物含有選自以下一組的溶劑，這一組由醚，更優(yōu)選乙醚、二叔丁基醚或二甲醚，最優(yōu)選二乙醚組成，并且除去分離開的水和/或鹽，例如通過分開所形成的有機(jī)層和水性層，和/或過濾鹽。隨后，優(yōu)選通過蒸發(fā)，例如通過在升高的溫度和/或減壓下在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上蒸發(fā)，來除去所用的溶劑和溶劑混合物。非必要地，可通過在真空下蒸餾來進(jìn)一步純化從萃取中得到的純化的丙酮酸。
如果在反應(yīng)中使用濃鹽酸，則優(yōu)選通過沉淀殘留的鹽來完成純化，例如，如果用丙酮酸鈉作為起始材料，則沉淀氯化鈉。為了進(jìn)行沉淀，向粗丙酮酸中加入溶劑或溶劑混合物，該溶劑或溶劑混合物選自由醚、酯或酮組成的組，更優(yōu)選將醚和酮，最優(yōu)選將丙酮加入，以便促進(jìn)沉淀作用，并過濾掉沉淀出的鹽。
隨后，除去所用的溶劑或溶劑混合物，優(yōu)選通過蒸發(fā)除去，例如通過高溫和/或減壓下在旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器上的蒸發(fā)除去。非必要地，可在真空下進(jìn)一步蒸餾純化此純化過程中獲得的純化的丙酮酸。
可通過各種分析方法來控制所獲得的丙酮酸的純度，例如用NMR確定產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)并測定純度，用HPLC確定純度并通過GC確定殘留的溶劑。
在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，將富含13C的丙酮酸鹽用于本發(fā)明的方法中。本領(lǐng)域已知數(shù)種13C-丙酮酸鹽的合成方法。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，將13C-丙酮酸鹽用于本發(fā)明的方法中，其從1，3-二硫雜環(huán)己烷合成得到。將二硫雜環(huán)己烷金屬化并且與CO2和甲基鹵反應(yīng)(Seebach等人，《Journal of Organic Chemistry》(有機(jī)化學(xué))，40(2)，1975，231-237)。隨后用下述文獻(xiàn)中描述的常規(guī)方法，例如Corey等人，《J.Org.Chem.》36，1971，3553-3560，釋放出羰基官能團(tuán)。通過使用富含13C的CO2，獲得在C1位置富含13C的丙酮酸鹽。使用富含13C的甲基鹵，例如富含13C的甲基碘，允許制備在C2位置富含13C的丙酮酸鹽。使用富含13C的CO2和富含13C的甲基鹵導(dǎo)致獲得在C1和C2位置富集13C的丙酮酸鹽。
由此，在本發(fā)明的優(yōu)選方法中，使用富含13C的丙酮酸鹽，它是使1，3-二硫雜環(huán)己烷與非必要地富含13C的CO2和非必要地富含13C的甲基鹵反應(yīng)而合成的，其中至少CO2或甲基鹵之一是富含13C的化合物。在本發(fā)明方法更優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用在C1位置富含13C的丙酮酸鹽，它是通過使1，3-二硫雜環(huán)己烷與富含13C的CO2和甲基鹵反應(yīng)而合成的。
在另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，用于本發(fā)明方法的13C-丙酮酸鹽是通過將乙酸轉(zhuǎn)變成乙酰溴，并隨后使乙酰溴與Cu13CN反應(yīng)而合成的。將所獲得的腈經(jīng)過酰胺轉(zhuǎn)變?yōu)樵贑1位置富含同位素的13C-丙酮酸鹽。為了獲得在C2位置富含同位素的13C-丙酮酸鹽，用能如S.Anker，《J.Biol.Chem》176，1948，第1333-1335頁中描述的那樣合成的富含13C的乙酸來完成這一合成。為了獲得在C1和C2位置富含同位素的13C-丙酮酸鹽，將富含13C的乙酸轉(zhuǎn)變成富含13C的乙酰溴，并隨后與Cu13CN反應(yīng)。
從而，在本發(fā)明的另一個(gè)優(yōu)選方法中，使用富含13C的丙酮酸鹽，其通過將非必要地富含13C的乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴ｄ?，并使該乙酰溴與非必要地富含13C的CuCN反應(yīng)而合成，其中，至少該乙酸或該CuCN是富含13C的化合物。在本發(fā)明方法的進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方案中，使用在C1位置富含13C的丙酮酸鹽，它是通過將乙酸轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴ｄ宀⑹挂阴ｄ迮c富含13C的CuCN反應(yīng)而合成的。
實(shí)施例實(shí)施例1使13C1-標(biāo)記的丙酮酸鈉(300克)懸浮于冰浴中的反應(yīng)器里的乙腈(600毫升)中。在攪拌下用1小時(shí)的時(shí)間逐漸加入濃鹽酸(223毫升，12.1M)。在這一添加完成后，去掉冰浴，并于環(huán)境溫度下用另外2個(gè)小時(shí)攪拌該懸浮液。經(jīng)過過濾除去沉淀下來的氯化鈉，蒸發(fā)濾液以獲得粗13C1-丙酮酸(245克)。
向這種粗丙酮酸中添加丙酮(850毫升)和MgSO4(40克)，以便沉淀殘留的氯化鈉，并經(jīng)過過濾除去沉淀的鹽。蒸發(fā)濾液，分離出黃色油狀的13C1-丙酮酸。純度＝99％(NMR)。產(chǎn)量＝223克(93％)；純丙酮酸的產(chǎn)率，即經(jīng)鹽/水校正過的＝86％。
實(shí)施例2使丙酮酸鈉懸浮于冰浴中的反應(yīng)器里的乙腈中(2.4毫升/克丙酮酸鈉)。在攪拌下用1小時(shí)的時(shí)間逐漸加入濃鹽酸(1摩爾當(dāng)量，0.745毫升/克丙酮酸鈉，12.1M)。在完成添加后，去掉冰浴，并于環(huán)境溫度下攪拌該懸浮液約2個(gè)小時(shí)。經(jīng)過過濾除去沉淀下來的氯化鈉，蒸發(fā)濾液以獲得粗丙酮酸(0.95-1.2克/克丙酮酸鈉)。
向這一粗產(chǎn)物中添加丙酮(4毫升/克丙酮酸鈉)，以便沉淀殘留的氯化鈉，并加入MgSO4(0.15克/克丙酮酸鈉)，以便降低含水量。在過濾除去沉淀的氯化鈉和MgSO4之前，將溶液放置在冰箱中1小時(shí)。蒸發(fā)濾液，直到水的水平為低于6％w/w為止。分離出淺黃色油狀的丙酮酸。
結(jié)果列于表1中。用HPLC測定丙酮酸的純度。“純度校正的”是指做了鹽和水校正的丙酮酸純度，這種校正的純度也用HPLC測定。產(chǎn)率是指純丙酮酸的產(chǎn)率，即做了鹽和水的校正。
表1從12C1-丙酮酸和13C1-丙酮酸的生產(chǎn)中獲得的數(shù)據(jù)
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)丙酮酸的方法，包括使丙酮酸的鹽與鹽酸在溶劑或溶劑混合物的存在下反應(yīng)，這種溶劑或溶劑混合物選自由極性的、質(zhì)子惰性的腈和酮組成的組，分離所獲得的粗丙酮酸，以及非必要地純化所述的粗丙酮酸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述的溶劑是丙酮、乙酰丙酮、甲乙酮、甲基異丁基酮、乙腈或戊腈或者其混合物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1至2的方法，其中所述的溶劑是丙酮或乙腈或者其混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3的方法，其中通過過濾由所述反應(yīng)產(chǎn)生的鹽和/或由蒸發(fā)所用的溶劑或溶劑混合物，來分離所述的粗丙酮酸。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4的方法，其中將所述的粗丙酮酸純化。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中通過萃取丙酮酸，非必要地接著蒸餾純化的丙酮酸，來進(jìn)行所述的純化。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中通過沉淀粗丙酮酸中殘留的鹽，非必要地接著蒸餾純化的丙酮酸，來進(jìn)行所述的該純化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中通過添加溶劑或溶劑混合物來促進(jìn)所述的沉淀作用，該溶劑或溶劑混合物選自由醚、酯或酮組成的組，優(yōu)選醚和酮，最優(yōu)選丙酮。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8的方法，其中所述丙酮酸的鹽是堿金屬鹽或堿土金屬鹽，優(yōu)選丙酮酸鈉或丙酮酸鉀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9的方法，其中所述鹽為富含13C的丙酮酸鹽。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中所述的富含13C的丙酮酸鹽是通過使1，3-二硫雜環(huán)己烷與非必要地富含13C的CO2和非必要地富含13C的甲基鹵反應(yīng)而合成的，其中至少該CO2或該甲基鹵是富含13C的化合物。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中富含13C的丙酮酸鹽是在C1位置富含13C的丙酮酸鹽，它是通過使1，3-二硫雜環(huán)己烷與富含13C的CO2和甲基鹵反應(yīng)而合成的。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中富含13C的丙酮酸鹽是通過將非必要地富含13C的乙酸轉(zhuǎn)變成乙酰溴，并使這種乙酰溴與非必要地富含13C的CuCN反應(yīng)而合成的，其中至少該乙酸或該CuCN是富含13C的化合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中富含13C的丙酮酸鹽是在C1位置富含13C的丙酮酸鹽，它是通過將乙酸轉(zhuǎn)變成乙酰溴，并使乙酰溴與富含13C的CuCN反應(yīng)而合成的。
全文摘要
本發(fā)明涉及生產(chǎn)丙酮酸的方法。
文檔編號C07C59/19GK101031534SQ200580033185
公開日2007年9月5日 申請日期2005年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月1日
發(fā)明者M·羅蘭德斯－加德, J·桑多沙姆, T·托馬森, D·格雷斯 申請人:通用電氣醫(yī)療集團(tuán)股份有限公司