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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein neues verfahren zur Herstellung
von 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan (I), umfassend die in Schema 1
dargestellten Schritte.
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Genauer
ausgedrückt,
die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
von 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan (allgemein Cyclen bezeichnet),
das eine Alternative zur klassichen Richman-Atkins-Synthese (siehe
z.B. J. Am. Chem. Soc., 96, 2268, 1974), welche derzeit industriell
für die
Produktion von Verbindung (I) in Form des Sulfatsalzes verwendet
wird, darstellt.
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1,4,7,10-Tetraazacyclododecan
ist die Vorstufe für
die Synthese von makrocyclischen Chelatbildnern für Metallionen,
da diese Chelatbildner mit solchen Ionen sehr stabile Komplexe bilden.
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Insbesondere
die Komplexe mit den paramagnetischen Metallionen, spezifisch dem
Gadoliniumion, können
auf dem Gebiet der medizinischen Diagnostik durch kernmagnetische
Resonanztechnik, die andernfalls infolge der hohen Toxizität der freien
Ionen unangenehm ist, eingesetzt werden.
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Derzeit
sind zwei Kontrastmedien im Handel verfügbar, nämlich Dotarem® und
Prohance®,
zwei Gadoliniumkomplexe der chemischen Struktur, die auf Cyclen
basiert, während
weitere noch im Untersuchungsstadium sind.
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Daher
ist es wichtig, ein Syntheseverfahren für die Herstellung des „building
blocks" auszuarbeiten, welches
kostengünstig
und industriell vorteilhaft ist.
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Das
Verfahren zur Herstellung der Verbindung (I) sollte daher sowohl
unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten als auch unter Umweltschutzgesichtspunkten
vorteilhaft sein, die Herstellung von Amintosylderivaten, die üblicherweise
bei der herkömmlichen
Richman-Atkins-Synthese eingesetzt werden, vermeiden.
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WO
97/49691 offenbart die Herstellung von Verbindung (I) mit Hilfe
der in Schema 2 dargestellten Schritte, wobei die Verbindung der
Formel (III), Decahydro-2a,4a,6a,8a-tetraazacyclopent[fg]acenaphthylen, das
Schlüsselzwischenprodukt
für die
Bildung von Verbindung (I) ist und durch Cyclisierung der Zwischenverbindung
(IV), 3H,6H-Octahydro-2a,5,6,8a-tetraazacennaphthylen,
erhältlich
ist, welches wiederum aus Triethylentetramin und Glyoxal hergestellt
wird;
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Um
die zwei Kohlenstoffatom-Brücken,
die die Verbindung (III) charakterisieren, unter Erhalt von (I)
zu spalten, wurde ein Oxidationsprozess beschrieben, der eine Transformation
von (III) in Oxidationsprodukte ermöglicht, welche anschließend durch
basische Hydrolyse hydrolysiert und in (I) transformiert werden
können.
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Alternativ
zur oxidativen Spaltung legt WO 96/28432 die direkte Hydrolyse von
(III) mit Bromwasserstoffsäure
oder mit Hydroxylamin in Ethanollösung unter Rückfluss
nahe.
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Andererseits
offenbart WO 98/49151 im Namen der Anmelderin ein zweckdienliches
Verfahren zur Herstellung von (I), ausgehend von (III), alternativ
zu dem oben beschriebenen, das einen Hydrolyseschritt in wässriger
Lösung
bei leicht saurem, neutralem oder leicht basischem pH mit einem
primären
Diamin der Formel (VI) umfasst und durch das folgende Schema 3 dargestellt
wird: Schema
3
worin x im Bereich von 0 bis 2 liegt und Q -CH
2CH (OH) CH
2-, -(CH
2)
2NH(CH
2)
2- oder -[(CH
2)
2NH]
2(CH
2)
2 ist, wenn x 1 ist oder Q -CH
2-
ist, wenn x 2 ist.
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Diethylentriamin
(DETA) ist besonders bevorzugt.
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Die
Reaktion findet in Wasser bei einem pH im Bereich von 5,5 bis 9,
vorzugsweise von 6 bis 8, bei einer Temperatur von 60 bis 100°C in Gegenwart
von 2 bis 20 mol Diamin pro mol (III) unter Inertgasatmosphäre oder
in Luft für
12 bis 48 Stunden statt.
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Nach
Beendigung der Reaktion wird die Lösung mit einer Base, z.B. Natriumhydroxid,
alkalinisiert, zu einem kleinen Volumen oder zu einem Rückstand
konzentriert und die Verbindung (I) wird mit einem geeigneten Lösungsmittel,
z.B. Toluol, Chloroform, Butanol, Amylalkohol, extrahiert. Die organische
Phase wird zu einem Rückstand
konzentriert, wodurch ein roher Makrozyklus (I) erhalten wird, der
schließlich
aus Toluol oder Ethylacetat umkristallisiert wird.
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Allerdings
sind die Vorteile, die durch die einfache Kombination der zwei Verfahren
nach dem folgenden Schema bereitgestellt werden
zum Erhalt
eines wertvollen Synthesewegs für
die Verbindung (I) unbefriedigend, im Gegenteil, denn es treten unerwartete
technische Probleme auf, die eine Anwendung im industriellen Maßstab schwierig
machen.
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Eine
Isolierung von Verbindung (III), die durch Extraktion mit Hexan
erreicht wird, wie es in der WO 97/49691 beschrieben ist, führt insbesondere
zu einem Produktverlust während
des Konzentrierungsschrittes mit dem Reaktionsgemisch, und zwar
teilweise infolge eines Transportphänomens und teilweise aufgrund
eines chemischen Abbaus, der mit dem Vorliegen von parasitischen
Alkylierungsmitteln verbunden ist.
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Da
die Cyclisierungsreaktion bevorzugend, aber nicht selektiv ist,
liefert die Reaktion zwischen Verbindung (IV) und 1,2-Dichlorethan
tatsächlich
einen Anstieg an parasitischen Alkylierungsmitteln als Konsequenz von
Nebenreak tionen der partiellen Alkylierung der Verbindung (IV) in
Mengen, die beim Arbeiten in großem Maßstab nicht ignoriert werden
können.
Diese Produkte können
leicht während
der Konzentrierungsstufe reagieren, wodurch die Ausbeute an Verbindung
(III) verringert wird.
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Es
wurde überraschenderweise
festgestellt, dass diese Probleme gelöst werden können, indem die Verbindung
(III) in Form eines Salzes einer geeigneten anorganischen Säure isoliert
wird.
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Darüber hinaus
wurde festgestellt, dass eine Isolierung von Verbindung (I) aus
dem Reaktionsgemisch in Form des Hydrochlorids die industrielle
Anwendbarkeit des Verfahrens verbessert, ohne die Gesamtausbeute
an Verbindung (I) zu beeinträchtigen,
da die Freisetzung des Salzes von Verbindung (I) quantitativ ist.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist daher ein neues Verfahren zur Herstellung
von Verbindung (I) nach dem folgenden Schema 1: Schema
1:
das die folgenden Schritte
umfasst:
- a) Kondensation von Triethylentetramin
(TETA) mit Glyoxalhydrat in Wasser oder wasserlöslichen Lösungsmitteln oder Gemischen
davon bei einer Temperatur im Bereich von 0 bis 5°C in Gegenwart
stöchiometrischer
Mengen oder eines leichten Überschusses
an Calciumhydroxid unter Erhalt der Verbindung der Formel (IV);
- b) Umsetzung der Verbindung der Formel (IV) mit 1,2-Dichlorethan in Mengen
von 1 bis 5 mol pro mol Verbindung (IV) in Dimethylacetamid (DMAC)
und in Gegenwart von Na2CO3 in
Mengen von 5 bis 10 mol pro mol Verbindung (IV), Zugeben von NaBr
in Mengen von 0,1 bis 2 mol pro mol Verbindung (IV) bei einer Temperatur
von 25 bis 150°C
unter Erhalt der Verbindung der Formel (III), die in Form eines
Salzes einer anorganischen Säure,
ausgewählt
aus der Gruppe bestehend aus Salzsäure und Phosphorsäure, isoliert
wird;
- c) Hydrolyse der Verbindung (III) durch Reaktion mit Diethylentriamin
in Wasser bei einem pH im Bereich von 5 bis 9, bei einer Temperatur
im Bereich von 90 bis 120°C
in Gegenwart von 5 bis 10 mol Triethylentriamin pro mol Verbindung
(III) unter Inertgasatmosphäre
oder in Luft für
12 bis 48 Stunden, Gewinnung von Verbindung (II) als Tetrahydrochlorid
und gegebenenfalls
- d) quantitative Freisetzung der Base unter Erhalt der Verbindung
der Formel (I).
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Schritt
a) wird im Wesentlichen so durchgeführt, wie es in WO 97J49691
beschrieben ist.
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Schritt
b) wird auch nach dem in WO 97/49691 beschriebenen verfahren, aber
vorzugsweise nach einer Modifikation, wie sie in der anschließenden WO
98149151 beschrieben ist, durchgeführt.
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Im
erfindungsgemäßen verfahren
wird insbesondere eine Kondensation der Verbindung (IV) mit 3 bis 5
mol 1,2-Dichlorethan
pro mol Verbindung (IV) in DMAC in Gegenwart von Natriumcarbonat
und unter Zugabe von NaBr als Katalysator in Mengen von 0,1 bis
2 mol pro mol Verbindung (IV) durchgeführt. Die bevorzugten Bedingungen
involvieren 3 mol 1,2-Dichlorethan, 10 mol Natriumcarbonat und den
Zusatz von 0,5 mol NaBr.
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Es
wurde unerwarteterweise gefunden und dies ist Gegenstand der Erfindung,
dass nach Beendigung der Reaktion und Filtration der anorganischen
Salze die oben beschriebenen Probleme durch Zusatz einer Säure, die
sowohl in Dimethylacetamid löslich
ist als auch zu einem Salz der Verbindung (III), das in dem dipolaren
aprotischen Lösungsmittel
unlöslich
ist, führt, überwunden
werden können.
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Zu
diesem Zweck erwiesen sich Salzsäure
und Phosphorsäure
als besonders geeignet.
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Es
wurde nun festgestellt, dass durch Verwendung von Gemischen, die
Verbindung (III), geeigneter mit DMAC verdünnt, enthalten und durch Zugeben
einer Menge an 37% (Gew./Gew.) HCl, äquivalent zu 2 bis 4 mol/mol
Verbindung (IV), vorzugsweise 2,4 mol/mol, ein Präzipitat
gebildet wird, das 95% Verbindung (III), die nach Beendigung der
Reaktion vorhanden ist, enthält.
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Eine
weitere Verbesserung resultiert aus dem Ersetzen von 37 % (Gew./Gew.)
HCl durch 85 % (Gew./Gew.) H3PO4,
was es ermöglicht,
die Lösungsmittelmenge
zu reduzieren, welche notwendig ist um eine fast vollständige Präzipitation
von Verbindung (III) als Phosphat zu erreichen. Das resultierende
Salz ist ein Diphosphat.
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Präzipitationstests,
die durchgeführt
wurden, haben bewiesen, dass ein Verhältnis von 2 mol H3PO4 pro mol Ausgangsverbindung (IV) für ein Präzipitieren
von Verbindung (III) hervorragend ist.
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Die
Verwendung von 85% (Gew./Gew.) H3PO4 involviert auch die Verwendung von weniger
Wasser im vergleich zu 37% (Gew./Gew.) HCl (was berücksichtigt
werden muss, wenn DMAC durch fraktionierte Destillation wiedergewonnen
wird).
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Um
Verbindung (III)-Hydrochlorid zu isolieren, ist es vorteilhaft,
mit einer Verdünnung
von 6 l DMAC/mol Verbindung (IV) zu arbeiten, wohingegen im Fall
von Diphosphat in einer konzentrierteren Lösung, d.h. 4,5 l DMAC/mol Verbindung
(IV), gearbeitet werden kann, was die notwendige Lösungsmittelmenge
verringert.
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Schritt
c) ist die Hydrolyse oder besser die Entschützung von Verbindung (III),
die die Glyoxal-geschützte
Form der Verbindung (I) ist, und zwar nach dem in WO 98/49151 beschriebenen
Verfahren mit einem Amin, das fähig
ist, Glyoxal irreversibel zu verdrängen. Diethylentriamin (DETA)
hat sich zu diesem Zweck als äußerst produktiv
erwiesen.
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Das
vorliegen von DETA beinhaltet allerdings Probleme bezüglich der
direkten Isolierung der Verbindung (I) als freie Base aus dem Hydrolysegemisch,
die nach dem Lehren dieser Patentanmeldung durch Zusatz einer Base
bis zum stark alkalischen pH, Extraktion mit Toluol und Kristallisieren
unter geeigneten Temperatur- und Konzentrationsbedingungen durchgeführt wird.
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Nach
diesem Verfahren, wie es in den Beispielen erläutert wird, ist die Ausbeute
an gereinigtem Produkt, wenn reine Verbindung (III) verwendet wird,
obgleich die Umwandlung (III)/(I) in der Rohreaktion zufrieden stellend
ist, etwa 70%, und zwar infolge der DETA-Verunreinigungen, die einen
weiteren Kristallisationsschritt erfordern.
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Die
Abtrennung von DETA aus dem Reaktionsgemisch ist daher von herausragender
Bedeutung für qualitative
und quantitative Zwecke, wohingegen die Definition eines reproduzierbaren
Verfahrens bei der Umwandlung (III)/(I) berücksichtigen sollte, dass das
Ausgangsmaterialien ein Reaktionsrohprodukt ist.
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Es
wurde überraschenderweise
festgestellt, dass die endgültige
Isolierung der Verbindung (I) in Form des Tetrachlorids es möglich macht,
mehr als 95% der Verbindung (I), die aus der Hydrolysereaktion resultiert, zu
gewinnen und dass sie gegenüber
der Verbindung (I) im Vergleich zu DETA und Reaktions-Verunreinigungen äußerst selektiv
ist, was zu einem hochreinen Produkt führt.
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Bei
Bedarf kann das Tetrachlorid nach bekannten Verfahren quantitativ
in die freie Base umgewandelt werden, und zwar durch Reaktion mit
wässrigem
NaOH, gefolgt von einer Eliminierung von Wasser (z.B. durch azeotrope
Destillation mit Toluol), Filtration der Salze und Kristallisation
aus Toluol.
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Die
restliche Verbindung (I), die in Kristallisations-Mutterlaugen vorliegt,
kann als Tetrachlorid gewonnen werden und ohne Verluste zurückgeführt werden.
Die Umwandlung (I)*4HCl/(I) kann daher quantitativ durchgeführt werden.
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Das
Molverhältnis
(III) : DETA = 1:5 ist bei der Umwandlung (III) (Hydrochlorid oder
Phosphat) / (I) am effektivsten. Darüber hinaus wird die Reinigung
der Verbindung (I) als Tetrachlorid durch die DETA-Menge in der
Reaktion nicht beeinträchtigt.
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Auf
diese weise werden die Probleme, die mit dem genannten Patent beobachtet
werden, vermieden, was in einem für den industriellen Maßstab geeigneteren
Verfahren resultiert.
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Die
folgenden Beispiele erläutern
die besten experimentellen Bedingungen zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
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EXPERIMENTELLER
ABSCHNITT
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Das
folgende Verfahren wurde für
die gaschromatographische Analyse verwendet:
Geräte: | Gaschromatographische
Einheit Hewlett-Packard, Serie 5890 II Plus, ausgestattet mit einem
Autosampler der Reihe 7673 und Einheit HP-3365 |
Säule: | HP-ULTRA
1, 25 m, Innendurchmesser 0,32 mm, Film 0,52 μm (HP Nr. 19091 A-112) |
Ofen-Temperatur-Programm | 1.
Isotherm bei 150°C
für 0,5
min; Anstieg 10°C/min bis
185°C; 2.
isotherm bei 185°C
für 0,1
min; Erhöhung |
| 20°C/min bis
240°C; 3.
isotherm bei 240°C
für 2 min. |
Injektoraufteilung
(Teilungsverhältnis
1:60) | |
| Aufspaltungsfluss
72 ml/min Temperatur 260°C
Aufspaltungseinsatz (HP Art. 18740-80190) mit Glaswolle (Chrompack
Art. 8490) und stationärer
Phase Chromosorb® W HP-80-100 mesh (Supelco
Art. 2-0153) |
Detektion | FID |
| Temperatur
290°C |
Säulenfluss: | 1,2
ml/min |
Transportgas: | He2 |
Injektion: | 1 μl |
Probenkonzentration: | 10–20 mg/ml
in H2O |
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BEISPIEL 1
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Herstellung von Verbindung
(I)
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A) TETA-Reinigung
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Ein
Reaktor, der für
die Reaktion ausgestattet ist, wird unter Stickstoffatmosphäre mit 5
kg rohem TETA beschickt, dann wird das System unter Rühren und
unter Stickstoffatmosphäre
gehalten, 800 g entionisiertes Wasser werden in 8 min zugesetzt,
wobei die Systeminnentemperatur unter 45°C gehalten wird.
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Nachdem
das System auf 35°C
eingestellt ist, wird die Reaktionsmasse mit 1 g reinem geradkettigem TETA-Hydrat
versetzt, es wird für
1 h unter Rühren
gehalten, dann werden 10 l Toluol in 20 min zugesetzt. Das Reaktionsgemisch
wird auf 40°C
erwärmt,
dann in 30 min auf 25°C
gekühlt,
für 30
Minuten bei dieser Temperatur gehalten. Das Präzipitat wird durch ein Septum
filtriert, mit Toluol gewaschen und in einem statischen Trockner
(30°C) unter
Vakuum (2 kPa) für
24 h getrocknet. Es werden 3,71 kg des gewünschten Produktes erhalten.
Ausbeute:
89% (auf wasserfreier Basis), verglichen mit dem Gehalt an linearem
Isomer im Ausgangsgemisch.
GC-Analyse: 98,22% (Flächen-%)
H2O (Karl Fischer): 20,75%
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B) Herstellung von Verbindung
(IV)
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Ein
Reaktor, der für
die Reaktion ausgestattet ist, wird unter Stickstoffatmosphäre mit 3,71
kg geradem TETA-Hydrat,
20 kg Wasser und 2,9 kg Calciumhydroxid beschickt. Die resultierende
Suspension wird unter Stickstoffatmosphäre gerührt und auf 0 bis 5°C abgekühlt, dann
wird eine 9%ige (Gew./Gew.) wässrige
Glyoxallösung,
die durch vermischen von 2,9 kg 40%iger Lösung mit 10 kg H2O
erhalten wurde, zugesetzt, während die
Reaktions-T bei 0 bis 5°C
gehalten wird.
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Nach
Beendigung der Zugabe wird das Gemisch für 1 h bei 5°C gehalten, mit 1 kg Celite,
die vorher mit H2O gewaschen worden war,
versetzt und für
15 min unter Rühren
gehalten. Calciumhydroxid wird abfiltriert. Das Filtrat wird an
einem Rotationsverdampfer unter reduziertem Druck konzentriert,
wobei ein trockener Rückstand
erhalten wird.
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Das
Produkt wird keiner Reinigung unterworfen und wird, so wie es ist,
für die
anschließende
Reaktion eingesetzt.
Ausbeute: 98,5% (auf wasserfreier Basis)
GC-Analyse:
95,5% (Flächen-%)
H2O (Karl Fischer) : 0, 24
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C) Herstellung der Verbindung
(III) als Phosphat im Labormaßstab
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Der
Reaktor, der für
die Reaktion angepasst war, auf 40°C vorerwärmt war, wird unter Stickstoffatmosphäre mit einer
Lösung
von 3,48 kg der Verbindung (IV) (hergestellt wie im vorherigen Schritt
beschrieben) in 80 ml DMAC, 11,6 kg Na2CO3:NaBr = 10:1 (Gew./Gew.) als mikronisiertes
Gemisch und 5,94 kg 1,2-Dichlorethan beschickt. Das resultierende
Gemisch wird auf 80°C
erwärmt
und für
3 h bei dieser Temperatur gehalten, dann auf 25°C abgekühlt und durch ein Septum filtriert,
wobei die Salze mit 10 l DMAC gewaschen werden. Das Filtrat wird
wieder in den Reaktor gefüllt.
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Während die
Innentemperatur bei 20°C
und unter Stickstoffatmosphäre
gehalten wird, werden 4,61 kg 85% (Gew./Gew.) H3PO4 tropfenweise zugesetzt. Das Gemisch wird
für 2h
unter diesen Bedingungen gerührt, dann
wird es über
Nacht stehengelassen. Das Filtrat wird durch ein Septum filtriert
und mit 10 l Isopropanol gewaschen. Das Produkt wird dann unter
Vakuum in einem statischen Trockner getrocknet, wobei 7 kg des rohen
Verbindung (III)-Phosphats erhalten werden (Gehalt an (III)-Diphosphat:
65% Gew./Gew.).
Ausbeute 58%.
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D) Herstellung von Verbindung
(I)
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Ein
Reaktor, der für
die Reaktion ausgestattet ist, wird unter Stickstoffatmosphäre mit einer
Lösung
von 7,0 g rohen Verbindung (III)-Phosphats in 14 kg H2O
beschickt, 5 kg Diethylentriamin werden schnell zugesetzt und das
resultierende Gemisch wird durch Zusatz von 34% HCl auf pH 7 eingestellt.
Das resultierende Gemisch, das unter Stickstoffatmosphäre gerührt wird,
wird refluxiert und für
24 h unter diesen Bedingungen gehalten, dann auf 25°C abgekühlt und
mit 10 kg 34% HCl versetzt. Die resultierende Lösung wird unter reduziertem
Druck auf ein Gewicht von 30 kg konzentriert.
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Es
wird eine gleiche Gewichtsmenge an 34% HCl zugesetzt, es wird für mindestens
2 h bei 25°C
gerührt,
dann wird das Gemisch über
Nacht stehengelassen. Das Präzipitat
wird filtriert und mit 20% (Gew./Gew.) HCl gewaschen, wobei 4 kg
eines Präzipitats
erhalten werden, das in 5 kg H2O mit 60°C gelöst wird.
Unlösliche Bestandteile
werden bei dieser Temperatur abfiltriert, die Lösung wird in einen auf 50°C vorerwärmten Reaktor transferiert
und es werden 7,15 kg 34% (Gew./Gew.) HCl in 1 h zugegeben, die
Temperatur wird gehalten und es wird gerührt. Das Gemisch wird auf 20°C abgekühlt und
filtriert, mit 20% (Gew./Gew.) HCl und mit absolutem Ethanol gewaschen.
Nach Trocknung in einem statischen Trockner unter Vakuum werden
2,3 kg kristalline Verbindung (I) erhalten.
Ausbeute: 36,1%
(verglichen mit Verbindung (IV))
GC-Analyse: 99,89% (Flächen-%)
H2O (K.F.): 0,18%
Säuretiter (0,1 N NaOH): 98,9%
Argentometrischer
Titer (0,1 N AgNO3): 99,98%
Komplexometrischer
Titer (0,1 N ZnSO4): 98,6%
1H-NMR- 13C-NMR-,
IR- und MS-Spektren stimmen mit der angegebenen Struktur überein.
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BEISPIEL 2
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Isolierung von Verbindung
(III) als rohes Hydrochlorid.
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Die
Herstellung von Verbindung (III)-Hydrochlorid wird im Wesentlichen
wie in Schritt C) von Beispiel 1 durchgeführt, außer dass keine abschließende Trocknung
durchgeführt
wird. Anstelle von Phosphorsäure wird
konzentrierte Salzsäure
verwendet. Am Ende der Isolierung wird das feuchte Produkt keiner
Trocknung unterzogen, sondern wird direkt zur Bestimmung des Gehalts
an (III) analysiert. Die Ausbeuten unter verschiedenen Isolierungsbedingungen
sind in Tabelle I angegeben.
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TABELLE
I Isolierung
von Verbindung (III) als rohes Hydrochlorid
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BEISPIEL
3 Isolierung
von Verbindung (III) als rohes Phosphat TABELLE
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