ПРОИЗВОДСТВОСИНТЕТИЧЕСКОГО ПАНТОТЕНАТА КАЛЬЦИЯ (ВИТАМИНА В3)
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Физико-химические свойства витамина B3
Методы синтеза и выбор рационального метода производства
Перспективные пути синтеза витамина Д-(—)-пантолактона
Литература
ВВЕДЕНИЕ
Пантотеновая кислота (витамин В3)открыта Р. Вильямсом в 1933 г. Она была им охарактеризована как стимуляторроста дрожжей. Название свое витамин В3 получил от греческоготермина «вездесущий», так как пантотеновая кислота была обнаруженапочти во всех растительных и животных тканях. Хорошими источниками витамина В3являются дрожжи, отруби риса, печень. В печени содержание пантотеновой кислотысоставляет 10 мг в 1 кг. В 1939 г. было установлено, что цыплячийфактор и пантотеновая кислота идентичны. При недостатке пантотеновой кислотыцыплята заболевают пеллагрой; вследствие этого пантотеновая кислота вначалебыла названа цыплячьим фактором. Установлено, что добавление в рацион домашнейптицы этого фактора приводит к значительному увеличению их массы и к повышениюяйценоскости. В 1945—1947 гг. Липманом с сотрудниками был открыт коэнзим А (отслова ацетилирование), участвующий в ацетилировании холина в ацетил-холин и вдругих реакциях ацетилирования, причем было доказано, что зтот коэнзим содержитпантотеновую кислоту. Дальнейшее изучение показало, что в состав молекулыкоэнзима А входят монофосфорный эфир пантотеновой кислоты, адениннуклеотид и2-меркаптоэтиламин. Кофермент А также участвует в окислительном распаде жирныхкислот и играет большую роль в образовании фосфолипидов. Пантотеновая кислотаблагоприятно влияет на водный обмен, на усвоение глюкозы. Имеется такжеуказание на ее защитные действия при радиоактивном облучении. Таким образом,пантотеновая кислота имеет широкие перспективы применения в профилактической иклинической практике, а также в сельском хозяйстве. Суточная потребностьчеловека в пантотеновой кислоте составляет 5—12 мг. При конденсациипантотеновой кислоты с b-меркаптоэтиламиномобразуется пантотетин, который в 100 раз активнее пантотеновой кислоты
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВИТАМИНА В3
Пантотеновая кислота представляетсобой производное b-аланинаи пан-толактона (a-окси-b,b-диметил-g-бутиролактона).
Химическая формула пантотеновойкислоты
/>
Пантотеновая кислота имеет одинасимметрический атом углерода (обозначен звездочкой), вследствие чего она имеетдва оптических антипода D(+) иL(-) и рацемат.
Биологической активностью обладаетправовращающая D(+)-пантотеноваякислота, левовращающая — биологически неактивна. Рацематическая пантотеноваякислота обладает 50% активности правовращающей пантотеновой кислоты.
D(+)-Пантотеновая кислота —маслянистое вещество, растворимое в воде., спирте, уксусной кислоте,нерастворима в хлороформе, бензоле удобнее употреблять в виде кристаллическихсолей натрия и кальция. D-Пантотенаткальция имеет температуру плавления 193,5—195° С; хорошо растворим в воде,нерастворим в органических растворителях, мало в спирте. Кристаллы обладаютгигроскопичностью.
D-Пантотенат натрия представляетсобой сильно гигроскопические иглы с температурой плавления 121—122° С (сразложением)/
Пантотеновая кислота былаидентифицирована следующими реакциями: этерификация ее метиловым спиртом илидиазометаном дает сложный эфир, который омыляется с освобождением пантотеновойкислоты
/>
Образование монометилового эфирауказывает на то, что пантотеновая кислота одноосновная. При ее ацилированииобразуется диацильное производное, что свидетельствует о наличии в молекуледвух гидроксильных групп:
/>
При щелочном гидролизе пантотеноваякислота расщепляется на b-аланини a, g-диокси-b, b-диметилмасляную кислоту по схеме:
/>
Диоксикислота была выделена в видекристаллического оксилактона после нагревания подкисленного раствора н егоэкстракции. Строение оксилактона, как a-окси-b, b-диметил-g-бутиролактон, было доказанопревращением его в а, а-димстнл-р-окснпронионопую кислоту.
Таким образом, к 1940 г. было окончательноустановлено строение пантотеновой кислоты. В соответствии со своей химическойструктурой пантотеновая кислота может образовать простые и сложные эфиры поокси- и карбоксильным группам, хлор ангидриды, амиды и другие соединения. Схолином образует комплекс, обладающий; биологическими свойствами обоихвитаминов. Устойчива к кислороду воздуха. Наиболее важное биокаталитическоедействие пантотеновая кислота проявляет в составе коферментных и ферментныхсистем (реакции ацетилирования хо-лина, уксуоной кислоты, аминов, спиртов).Простейшим биологически активным коферментом является пантетеин, которыйпредставляет собой продукт конденсации пантотеновой кислоты и2-меркапто-этиламина и имеет следующую химическую структуру
/>
Пантетеин является ростовым фактороммолочнокислых бактерий .
Самым ответственным и наиболеесложным по химической структуре биологически активным производным пантотеновойкислоты является кофермент А, катализирующий различные реакции переноса иприсоединения ацильных остатков в процессах жирового и углеводного обмена.Активной группой кофермента, осуществляющей эти реакции, являетсясульфогидрильная группа 2-меркаптоэтиламина. Строение кофермента А было изученореакциями его гидролитического расщепления; на основании полученных данныхустановлена следующая химическая формула:
/>
Из химической формулы видно, что вкоферменте А пантотеновая кислота карбоксильной группой связана с2-меркаптоэтиламином, а g-оксигруппойс трифосфонуклеозидаденином.
МЕТОДЫ СИНТЕЗА ПАНТОТЕНОВОЙ КИСЛОТЫ ИВЫБОР РАЦИОНАЛЬНОГО МЕТОДА ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
Наивысшей биологической активностью(100%) обладает правовращающая (+)-пантотеновая кислота; а рацемическая имеетлишь 50% активности. В связи с этим целесообразно рассмотреть вопрос о выборесхем синтеза обоих препаратов.
Установлено строение пантотеновойкислоты как аланида, a, g-диокси-b, b-диметил масляной кислоты и осуществлен синтез. В основусинтеза принята реакция конденсации двух компонентов — эфиров или солей b-аланина и алифатическойдиоксикислоты — a,g-диокси-b,b-диметил-g-бутиролактона (пантолактона).
В полученном продукте реакции b-аланин связан с безазотистой частьюмолекулы пептидной связью. Синтез пантотеновои кислоты был одновременноосуществлен различными исследователями но этой же рсакцнн .
Таким образом, синтез пантотеноионкислоты сводится к следующим стадиям: а) синтезу b-аланина, б) синтезу пантолактона и в) конденсацииэтих веществ. Особо стоит вопрос о синтезе D(—)-пантолактона, необходимого для синтеза Д(+) пантотеновойкислоты. Рассмотрим известные варианты указанных стадии синтеза пантотеновойкислоты.
СИНТЕЗ b-АЛАНИНА (b-АМИНОПРОПИОНОВОЙ КИСЛОТЫ)
Существует несколько методов синтеза b-аланина, различающихся по реакцииобразования аминогруппы, а именно:
1. Из имида янтарной кислоты(сукцинимида) по реакции Гофмана при взаимодействии с гипохлоритом илигипобромитом натрия или калия в присутствии щелочи по схеме:
/>
Выход b-аланина, низкий и составляет 41-45% .
2. Из циануксусного эфира путемкаталитического гидрирования и омыления его гидратом окиси бария по схеме:
/>
Выход р-аланина достигает 72%, ноциануксусный эфир дорог.
3. Из галогенопропионовой кислотыаммонолизом по схеме:
/>
b-Аланин получают в смеси симинодипропионовой кислотой, из которой его выделяют с выходом и 50%. Методдает недостаточный выход и усложнен как выделением b-алаиина из реакционной массы, так исинтезом хлорпропионовой кислоты (из акрилонитрила и соляной кислоты).
4. Из акрилонитрила аммонолизом споследующим гидролизом b-аминопропионитриласоляной кислотой или щелочью по следующей схеме:
/>
Однако реакция цианэтилированияаммиака идет не однозначно с образованием смеси первичного, вторичного итретичного аминов, что снижает выход b-аланина. Для сдвига равновесной системы в сторонуобразования первичного амина была изучена зависимость выхода b-аланина от концентрации растворааммиака, относительного количества акрилонитрила и температуры проведенияпроцесса. b-аланин с максимальнымвыходом получают при температуре 154—158°С. Однако прямой выход b-аланина составляет 40—44%. Впоследнее время разработан метод превращения смеси вторичного и третичногоаминов в b-аланин. Приэтом выход повышается до 65—67%. Метод этот представляет интерес, но нуждаетсяв практической отработке.
5. Из акрилонитрила аминированиемфталимидом в присутствии катализатора с получением в качестве промежуточногопродукта фталимидопропионитрила по следующей схеме:
/>
В качестве катализаторов известны:этилат натрия, триметилфенил-аммоний, спиртовой 1%-ный раствор едкого натра.При использовании последнего выход полученного составил 77,8%.
Выделение свободного b-аланина или его соли. Метод выделения зависит от того, ввиде какой соли получают b-аланинпри гидролизе. Если этот процесс осуществляют соляной кислотой, то получаютхлор гидрат b-аланина. Длявыделения из этой соли свободного b-аланина предложены различные реагенты: гидрат окиси лития,окись свинца, а затем обработка водородом. Эти реагенты либо дороги, либотребуют сложной обработки во вредных условиях. Наиболее эффективным являетсяметод ионообмена на катионите КУ-2 с элюированием 2%-ным раствором аммиака споследующим выпариванием и кристаллизацией. Выход 92,0%. Возможен и другойвариант — омыление серной кислотой с последующим выделением ее окисью кальция ввиде гипса, а b-аланина в видекальциевой соли по следующей схеме: .
/>
При изучении режима омыления установленаоптимальная концентрация серной кислоты в 25%, а рН при нейтрализации кислоты — 6,8—7,0, а для получения кальциевой соли около 8,0. Недостатком методагидролиза серной кислотой с выделением ее в виде гипса и с получениемкальциевой соли b-аланинаявляется трудность получения последней в чистом виде, что отрицательно влияетна качество пантетоната кальция.
Из анализа изложенных методов следуетотдать предпочтение двум методам синтеза b-аланина: 1) аммонолиз акрилонитрила под давлением 2)аминированием акрилонитрила фталимидом с выделением свободного b-аланина на ионитах или в видекальциевой соли.
СИНТЕЗ ПАНТОЛАКТОНА
Вторым компонентом молекулыпантотеновой кислоты является пантолактон или (другое название) — a, g-диокси-b, b-диметилмасляная кислота. Синтезпантолактона осуществлен, исходя из изомасляного альдегида, общим методомполучения a-оксикислот—циангидринным синтезом по следующей схеме :
/>
Химизм процессов заключается вальдольной конденсации иэомасляного альдегида и формальдегида в присутствиипоташа или соды в b-окси-a, a-диметилпропиоповый альдегид; последний конденсируют ссинильной кислотой или цианистым калием в присутствии хлористого кальция или сцианистым натрием и получают a, g-диокси-b, b-диметилмасляную кислоту и при ее лактонизации — рацемическийпантолактон. Дальнейшее усовершенствование синтеза пантолактона привело купрощению технологического процесса в результате замены цианирующего агента — цианистогокалия — ацетонциангидрином и других технологических усовершенствований. Врезультате четырехстадийный синтез пантолактона стали осуществлять в однустадию. Таким образом, исходным сырьем для получения пантолактона являетсяизомасляный альдегид, который может быть получен различными методами синтеза :
1) гидратацией хлористогодиметилэтилена с последующим омылением и дегидратацией:
/>
2) гидролизом с одновременнойдегидратацией эфиров:
/>
3) окислением изобутилового спиртахромовой смесью:
/>
Первые два метода для промышленногоприменения не приемлемы из-за дефицитности сырья. Что касается третьего метода,то недостатком его является побочная реакция, обусловливающая дальнейшееокисление альдегида в изомасляную кислоту и этерификация ее нзобутиловымспиртом, не вошедшим в реакцию. В результате этой реакции образуется взначительном количестве изобутиловый эфир масляной кислоты, что значительноснижает выход изомасляного альдегида (около 40%). Кроме того, бихромат калия такжедорог и дефицитен. Наилучшую перспективу для промышленного применения имеетметод синтеза изомасляного альдегида путем каталитического дегидрированияизобутилопого спирта кислородом воздуха на медном или серебряном катализаторепри температуре 230— 300° С с выходом 80—90%. В дальнейшем было показано, чтосеребряный катализатор, нанесенный на пемзу, при температуре 500 — 600° С болееэффективен по сравнению с медным. По-видимому, вопрос о выборе катализатора дляданного процесса должен быть дополнительно изучен. В качестве промышленногометода может быть осуществлен оксосинтез:
/>
Из изложенного можно сделатьзаключение, что наиболее рациональным методом синтеза пантолактона является одностадийныйметод, предложенный Е. Жданович и Е. Бялой, заключающийся в альдольнойконденсации изомасляного альдегида и формальдегида с цианированиемаце-тонциангидрином и дальнейшим омылением и лактонизацисй. Этим методомполучают рацемический D, L-пантолактон.Для синтеза оптически активной Д(+)-пантотеновой кислоты считают болеецелесообразным конденсировать левовращающий D(—)-пантолактон с b-аланином, чем расщепление на свои антиподы D,L-пантотеновой кислоты. Для получения D(—)-пантолактона необходимо пантолактон-рацематразложить на оптические антиподы. Для этого на рацемат действуют каким-либооптически деятельным органическим основанием-алколоидом, например, хинином,бруцином или оптически деятельными синтетическими аминами, как, например, a-фенилэтиламином. Если право- илевовращаю-щие пантолактоны обладают одинаковыми свойствами, за исключениемвращения плоскости поляризации и кристаллизации в эпантиаморфных формах, т. е.с различной пространственной ориентировкой атомов, то полученные соли салколоидами вследствие вхождения в их молекулы нового асимметрическогоуглеродного атома обладают различными свойствами, как, например,растворимостью. Поэтому мы получаем возможность их разделить дробнойкристаллизацией. Разделив эти соли и разложив их кислотой, мы получаемстереизомеры в чистом виде. Таким путем удается из пантолактона рацематавыделять D(—)-пантолактон.
СИНТЕЗ D(+)-ПАНТОТЕНОВОЙ КИСЛОТЫ ИЛИ ЕЕ РАЦЕМАТА
Последней стадией синтеза является конденсацияD(-) или D, L-пантолактона с b-аланином. Этот процесс осуществляютразличными путями:
а) при нагревании до 70° С D(—)-пантолактона с этиловым илиметиловым эфиром b-аланинас последующим омылением с выходом D(+)-пантотеновой кислоты 50% по схеме:
/>
б) лучшие результаты получают приконденсации пантолактона с натриевой или кальциевой солью b-аланина в среде безводного спирта;
в) при конденсации сухой натриевойсоли b-аланина с D-(—)-пантолак-тоном при температуре 100—105° С получаютпантотенат натрия с высоким выходом (92%). Имеются указания, что прииспользовании в реакции конденсации свободного р-аланина выход пантотеновойкислоты весьма низок;
г) однако выход значительноповышается, если конденсацию вести в среде вторичных или третичных аминов вприсутствии окиси кальция или этилата натрия Н. Жданович указывает, чтокальциевая соль пантотеновой кислоты была получена при конденсации b-аланина и D, L-пантолактоиа всреде метилового спирта в присутствии диэтиламина с обработкой реакционноймассы окисью кальция с выходом в 90,2%.
Из всего изложенного можно прийти ктехнологической схеме производства D(+)-пантотеновой кислоты или ее рацемата, заключающейся в следующихстадиях синтеза:
получение b-аланина аммонолизом акрилонитрила водну стадию;
одностадийный синтез D,L-пантолактона путем альдольной конденсации изомасляного альдегида иформальдегида и цианирования b-окси-a, a-диметилпропионового альдегидаацетонциангидрином и последующего омыления и лактонизации;
расщепление D,L-пантолактона-рацемата и выделение D(-) пантолактона с помощью L(+)треоамина;
конденсация D(—)-пантолактона и b-аланина в среде метилового спирта в присутствии диэтиламина.
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПУТИ СИНТЕЗАД-(—)-ПАНТОЛАКТОНА
Основными недостатками процессаполучения медицинского витамина В3 является стадия разделения наоптические антиподы D, L-пантолактона.
В настоящее время идет интенсивныйпоиск методов синтеза D-(—)-пантолактона, исключающих трудоемкий процесс разделения рацемата.
Решение этой задачи возможно сейчасдвумя путями асимметрического синтеза D-(—)-пантолактона из 3-оксо-4,4-диметил-g-бутиролактона (кетопантолактона):
1) Способ асимметрического гидрирования (Япония).
/>
В качестве катализатора используют RhCIs (с лигандомМ-ацилфенилпирролидинфосфином).
2) Способ асимметрического биосинтеза.
Некоторые микроорганизмы содержатспецифический фермент—кетопантолактонредуктазу, катализирующий реакциювосстановления кетопантолактона в пантолактон:
/>
Соотношение изомеров зависит от видаштаммов применяемых микроорганизмов.
Некоторые дрожжи и грибы, например, Rhodotorula mi-nutaIFO0920 и Aspejrg'illus niger могутвыполнять стереонаправленное превращение кетопантолактона в D-(—)-пантолактон, который далеепревращают в Д-(+)-пантоте-новую кислоту. Установлено, что кетопантолактон за48 ч трансформируется в D-(—)-пантолактонс выходом 86—87% при исходном содержании всреде 45 г/л. При этом производительность ферментера объемом 20 м3—1 кг/м3ч.
Среди других вариантов синтезавитамина В3 с использованием методов биотехнологии наиболееперспективным представляется получение паитотеновой кислоты из се структурныхкомпонентов с помощью иммобилизованных бактериальных клеток некоторых штаммов.Иммобилизованные -клетки синтезируют Д-(+)-пантотеновую кислоту из (b-аланина и пантоата калия вприсутствии АТФ, КС1 и сульфата магния.
Важнейшей коферментной формой D- ( )-пантотеновой кислоты является кофермент ацилирования — КоА (коферментА).Химический синтез его очень сложен, метод же биосинтеза с применением сухихбактериальных клеток является более простым по сравнению с химическим синтезоми позволяет в определенных условиях накапливать КоА до 115 г/л в культуральнойжидкости. Исходным субстратом при этом является 4-фосфопантотсновая кислота,получаемая химическим синтезом.
Таким образом, современные достижениябиотехнологии в области биосинтеза витамина В3 позволяют уже сегодняставить вопросы о его практическом применении, в частности, длястереонаправленного синтеза D-(-)-пантолактонаи получения коферментной формы витамина В3—кофермента А —комбинированным химико-ферментативным способом.
Как было отмечено ранее, применениесовременных достижений биотехнологии в органической связи с химическойтехнологией возможно и для производства других витаминов, важнейшим из которыхявляется производство аскорбиновой кислоты (витаминаС).
Литература
1. Shrimton D. H.(2008)Микронутриенты и их взаимодействие. Российский медицинский журнал. Т.16., № 7.
2. Морозкина Т.С.Витамины – М.: Медкнига, 2002
3. Лифляндский В. Г.Витамины и минералы. – М.: Эксмо, 2010
4. Малахов Г. П.Витамины и минералы в повседневном питании. – М.: Просвещение, 2009
5. Скальный А.А. Микроэлементы– М.: Промкнига, 2002
6. Ула Унгер-Гебель.Витамины. – М.: Эксмо, 2003
7. Тюкавкина И.Р.Органическая химия для студентов медицинских вузов. – М.: Медкнига, 2000
8. Энциклопедиявитаминов и БАД