Advanced
Asymmetric Synthesis of Dimethyl 2-(S)-Benzylsuccinate, a Key Intermediate of Mitiglinide for Antidiabetes
Asymmetric Synthesis of Dimethyl 2-(S)-Benzylsuccinate, a Key Intermediate of Mitiglinide for Antidiabetes
Journal of the Korean Chemical Society. 2014. Apr, 58(2): 230-233
Copyright © 2014, Korea Chemical Society
  • Received : December 07, 2013
  • Accepted : February 22, 2014
  • Published : April 20, 2014
Download
PDF
e-PUB
PubReader
PPT
Export by style
Article
Author
Metrics
Cited by
TagCloud
About the Authors
강우 이
지은 민
학원 김

Abstract
Keywords
서 론
당뇨병(diabete)은 인슐린 분비 감소 및 저항성 등과 같이 인슐린 분비에 문제가 있거나 이상이 생겨 혈액속의 포도당이 세포로 전달/저장되지 못하고 혈액중에 지나치게 많아져 혈당의 수치가 정상인보다 훨씬 높아지는 심각한 대사성 질환으로 사회적인 큰 관심을 받고 있는 질병이다. 최근 들어 많은 당뇨병 치료제가 개발되었고 현재에도 많은 연구가 이루어지고 있는 실정이다. 특히, 기 개발된 당뇨병 치료제중에서 메글리티나이드(Meglitinide)계열의 미티글리나이드(Mitiglinide, 1 , KAD-1229, calcium bis[(2 S )-4-[(3a R ,7a S )-octahydro-2 H –isoindol-2-yl]-4-oxo-2-benzylbutanoate]dihydrate)( . 1 )는 일본 키세이 약품에서 개발하여 2004년에 승인되어 현재 시판 중인 혈당강하제로 동일계열 약물 중 혈당강하 효과가 가장 빠르고 강한 것으로 보고되고 있다. 1 2
본 연구진은 미트글리나이드의 효율적인 합성법 개발에 관심을 갖고 이를 연구하였다. 기존에 알려진 미티글리나이드의 합성법을 문헌을 통해 조사해보면 합성 시 가장 중요한 것은 키랄 센터를 갖는 중간체의 합성부분인 것으로 알려져 있다. 현재까지 알려진 방법으로는 라세미체로부터 광학 분리 방법을 이용하여 키랄 중간체를 확보하는 방안, 3 키랄 보조체를 이용한 비대칭 합성법, 4 그리고 금속 촉매와 키랄 리간드를 사용한 비대칭 수소화 반응 5 등을 통해 중요 키랄 중간체를 확보하는 방법 등이 있다.
기존에 개발된 키랄 중간체의 합성방법 중에서 가장 보편적으로 사용되는 방법은 1 과 같은 광학분리법으로 라세미체인 2-benzylsuccinic acid로부터 키랄 아민과 반응시켜 diastereomeric salts를 만든 후 재결정을 통해서 2-( S )-benzylsuccinic acid ( (S)-2 )를 얻는 방법이다. 3 이 방법은 99.6% 이상의 광학순도를 얻기 위해서는 두 번 이상의 재결정방법으로 정제해야 하고, 항상 발생하는 이성질체 (R)-2 의 생성으로 20% 미만으로 낮은 수율을 보인다는 문제점을 가지고 있다.
이미 알려진 비대칭 합성법을 이용한 키랄 중간체의 합성법에서는 쉽게 구할 수 없는 Rh촉매와 키랄 리간드를 이용해야만 하고, 반응조건 또한 고온/고압의 조건을 필요로 한다는 점과 비대칭반응만으로는 의약품으로 사용하기에 충분한 광학순도를 보일 수 있는 중간체 합성이 어려워, 반응 후 추가적인 광학분리과정을 거쳐야 하는 문제점이 있다. 5
PPT Slide
Lager Image
Structure of mitiglinide.
PPT Slide
Lager Image
Optical resolution of rac-2-benzylsuccinic acid.
본 논문에서는 쉽게 구할 수 있는 상용화된 촉매 및 키랄 리간드를 이용하여 dimethyl 2-benzylidensuccinate ( 3d )의 비대칭 수소화 반응으로 높은 수율과 입체선택성을 보이는 dimethyl 2-( S )-benzylsuccinate ( (S)-4d )의 비대칭 합성법을 개발하고, 이의 가수분해 반응으로 키랄한 미트글리나이드 중간체, (S)-2 를 합성할 수 있는 방법을 제안, 설명하고자 한다.
결과 및 고찰
효과적인 미티글리나이드 합성방법을 개발하고자 기존에 잘 알려진 합성법을 조사해 본 결과, 기존에 알려진 비대칭 수소화 반응을 이용한 방법은 반응에 사용된 금속촉매와 키랄 리간드를 쉽게 구할 수 없으며, 의약품원료에 직접 사용하기에는 본 반응의 입체 선택성이 높지 않다는 문제점이 있음을 확인할 수 있었다. 4 이와 같은 문제점을 해결하고자 본 연구에서는 수행하고자 하는 시스 템과 유사한 반응을 시도한 최근 문헌을 발견하고, 이를 적용하고자 하였다. Imamoto와 그의 연구진들은 alkene유도체의 비대칭 수소화 반응을 위해서 매우 효과적인 키랄 리간드, QuinoxP*를 개발하였는데, 이를 이용한 Rh촉매하에서의 효과적인 비대칭 수소화 반응을 보고하였다. 6 7 본 연구진은 금속촉매로 [Rh(nbd) 2 ]BF 4 를 사용하고 ( R,R )-QuinoxP*를 키랄 리간드로 사용하여, 미트글리나이드 합성 시 사용되는 중요한 키랄 중간체인 4a, 4b, 4c 4d 를 합성하기 위해서 수소화 반응의 전구체인 2-benzylidensuccinic acid 유도체들, 3a, 3b, 3c 3d 의 비대칭 수소화 반응을 조사하였다.
반응결과는 1 에 요약하였다. 흥미롭게도 카르복실산 형태인 3a 3b 는 주어진 조건(5 atm H 2 , rt, 3h)에서는 수소화 반응 자체가 진행되지 않음을 알 수 있었다. 이는 카르복실산 작용기의 문제라고 생각하여 카르복실산의 무수물 형태인 succinic anhydride 3c 를 같은 조건에서 수소화 반응을 시도하였으나 진행되지 않았다. 이 반응에 대해 제안된 메커니즘을 보면, 아마도 무수물과 같이 평면 구조일 경우 키랄 리간드가 제대로 작용하지 못해서 수소화 반응이 진행되지 않았을 것으로 추측하였다. 7 따라서, 카르복실산 작용기도 아니고, 무수물 형태도 아닌 카르복실산 에스터 형태인 dimethyl 2-benzylidensuccinate( 3d )를 가지고 비대칭 수소화 반응을 시도하였다. 화합물 3d 는 dimethylsuccinate로부터 aldol축합반응을 거쳐 합성하였다. 1 의 entry 4−6에 나와 있는 것처럼, 에스터 화합물 3d 는 주어진 촉매시스템에서 성공적으로 수소화 반응이 진행되었다. 수소 압력이 낮은 1기압에서는 반응이 진행되지 않았지만, 3~5기압으로 수소 압력이 증가함에 따라 수소화 반응이 잘 진행됨을 알 수 있었다. 실험결과, 최적의 비대칭 수소화 반응은 상온에서 5기압의 수소 환경에서 3시간 반응시켰을 때 얻어졌으며, 이때 최대 95%의 수율(NMR 수율 98%)을 보였다. 키랄 컬럼이 장착된 HPLC로 광학순도를 측정한 결과, 목적하는 dimethyl ( S )-2-benzylsuccinate ( 4d )을 99.7%ee로 얻었음을 확인할 수 있었다. 본 연구진은 1 의 6번째 조건, MeOH용매에서 1 mol% [Rh(nbd) 2 ]BF 4 와 1.3 mol% (R,R)-QuinoxP*를 촉매로 사용하고, 5기압의 H 2 와 3시간 반응조건에서 95%의 높은 수율과 99.7%ee의 높은 입체 선택성으로 dimethyl ( S )-2-benzylsuccinate ( 4d )를 합성하는 방법을 개발하였다.
Asymmetric hydrogenation using chiral Rh catalyst
PPT Slide
Lager Image
aAmine=octahydro-1H-isoindole.bYields determined by 1H NMR.cIsolated yield.
이렇게 합성된 dimethyl ( S )-2-benzylsuccinate ( (S)-4d )를 2 와 같이 염기조건에서 가수분해하여 (S)-2 를 89% ( 3d 로부터 2단계) 수율로 얻었고, 이의 구조는 기존에 광학분리법으로 얻은 화합물과 비교하여 확인하였다.
PPT Slide
Lager Image
Hydrolysis of dimethyl (S)-2-benzylsuccinate.
본 연구진이 개발한 비대칭 수소화 반응을 이용한 (S)-2 합성법은 24시간이 소요되고 낮은 수율을 보이는 기존의 광학분리 방법과 3 12시간의 시간이 소요되고 낮은 수율(19.8%)을 보이는 기개발된 비대칭 수소화 반응 5 보다 우수하다고 판단된다. 본 연구진은 diacid 중간체인 (S)-2 를 acetic anhydride와 반응시켜 succinic anhydride 중간체를 95%의 수율로 합성하고, 염기조건하에서 isoindol 유도체와 반응시켜서 amide 중간체인 mitiglinide base를 70%의 수율로 합성하였다. 마지막으로 Ca 착물을 만들어 mitiglinide( 1 )을 합성하였고(94%), 기 확보된 미트글리나이드 샘플과 비교하여 구조, 물성 등을 확인하였다( 3 ).
PPT Slide
Lager Image
Synthesis of 1 from (S)-2.
본 연구진이 개발한 비대칭 수소화 반응 및 가수분해 반응의 과정을 도입한 개선된 미트글리나이드 합성법은 성공적인 합성과정을 제공할 것으로 기대된다. 8
결 론
본 연구에서는 당뇨병 치료제로 쓰이는 미티글리나이드의 중요 중간체 dimethyl ( S )-benzylsuccinate ( (S)-4d )의 효과적인 비대칭 합성방법을 개발하였다. 특히 쉽게 구할 수 있는 상용화된 촉매 및 키랄 리간드를 사용하였고, 3시간이라는 짧은 시간에 95%의 높은 수율과 99.7%ee의 높은 입체 선택성으로 목적화합물 (S)-4d 를 합성하였다. 연이은 가수분해 반응으로 ( S )-benzylsuccinic acid ( (S)-2 )를 합성할 수 있었고, 이의 구조를 확인하였다. 또한 광학순도를 확인하기 위한 키랄 컬럼을 이용한 HPLC 분석법을 확립하여, 합성된 화합물의 광학순도를 확인하였다. 또한 이를 이용한 방법으로 효율적인 미티글리나이드의 합성과정을 개발하였다. 8
실험방법
합성한 화합물을 분석하기 위한 NMR spectrometer는 JEOL 사의 AL-300(300 MHz for 1 H NMR)을 사용하였고, 광학순도를 측정하고자 키랄 컬럼이 장착된 HPLC (SP930D, Younglin instrument, Korea)를 사용하였고, 25 °C에서 Hexane/IPA= 98:2 혼합용액을 1.0mL/min로 흘려 보내 분석하였다. 사용된 시약 및 용매는 Sigma-Aldrich사, Acros사, 그리고 Merck사 제품을 사용하였고, 특히 금속촉매인 [Rh(nbd) 2 ]BF 4 (Bis[ƞ-(2,5-norbornadiene)]-rhodium(I)tetrafluoroborate)와 키랄 리간드 ( R,R )-QinoxP*는 Sigma-Aldrich사로부터 구입하여 사용하였다.
- 비대칭 수소화 반응을 이용한 (S)-Dimethyl 2-benzylsuccinate((S)-4d)의 합성
자체 제작한 고압반응기에 [Rh(nbd) 2 ]BF 4 (1.9 mg, 0.005 mmol) 촉매와 키랄 리간드 ( R,R )-QuinoxP*(2.0 mg, 0.006 mmol)을 MeOH (1mL)에 녹인다. 그 후에 dimethyl 2-benzylidenesuccinate ( 3d , 0.117 g, 0.50 mmol)을 가한다. 고압반응기에 수소(5 atm)를 가하여 상온에서 3시간 동안 반응시켜준다. 반응종결 여부는 반응 중 일부를 뽑아내어 여과 처리한 후, 1 H NMR로 확인하였다. 반응 종결 후, 압력을 풀고, 생성 혼합물에 섞여있는 금속촉매와 키랄 리간드를 short column silica gel chromatography(ethyl acetate로 씻어줌)를 이용하여 제거한 후, 진공 하에서 용매를 제거하여 순수한 생성물, dimethyl( S )-2-benzylsuccinate ( (S)-4d ) 0.111 g(94%, 99.7%ee)을 얻었다. 광학순도를 조사하고자 chiral column이 장착된 HPLC로 분석하였다. HPLC 분석조건: Column; Chiralcel OD (Dicel Chemical Ind., Ltd.), elution; hexane/isopropanol (98/2), 1.0 mL/min; 25 ℃; retention times, ( R )-isomer ca. 15 min, ( S )-isomer ca. 17 min).
1 H NMR (300MHz, CDCl 3 ) δ 2.37 ( dd , 1H, J = 5.0, 16.8 Hz), 2.59−2.76 ( m , 2H), 2.97−3.15 ( m , 2H), 3.56 ( s , 3H), 3.60 ( s , 3H), 7.10−7.26 ( m , 5H).
- (S)-2-Benzylsuccinic acid ((S)-2)의 합성
화합물 (S)-4d 0.111 g(0.47 mmol)에 NaOH (aq) (0.5 M, 20 mL)를 가하고 90 ℃로 가열하여 3시간 환류 교반하였다. 반응 종결 후 1 M HCl을 반응용액의 pH가 2가 될 때까지 첨가하였다. 생성물을 여과하여 거른 후, 진공 건조하여 생성물 ( S )-2-benzylsuccinic acid ( (S)-2 ) 0.930 g (95%)을 얻었다. 이를 기존에 합성된 화합물과 비교하여 구조를 분석하였다.
Acknowledgements
This work was supported by a grant from Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF) funded by the Ministry of Education, Science and Technology [2012R1A1A2007074].Supporting Information.화합물4d,(S)-2의1H NMR spectra, 키랄 HPLC 분석조건 및 chromatogram.
References
Malaisse W. J. 2003 Treat Endocrinol 2 401 -
Landgraf R. 2000 Drugs Aging 17 411 -
Liu J. C. , Yang Y. S. , Ji R. Y. 2004 Helv. Chim. Acta. 87 1935 -
Lecouve J. P. , Fugier C. , Souvie J. C. 1999 World Patent. WO9901430, 1999 Chem. Abstr. 130 110156r -
Imamoto T. , Sugita T. , Yoshida K. 2005 J. Am. Chem. Soc. 127 11934 -
Gridnev I. D. , Higashi N. , Asakura K. , Imamoto T. 2000 J. Am. Chem. Soc. 122 7183 -
Kim H. , Byeon S. , Oh S. , Lee K. , Kwon H. 2012 10-2012-0070157 Kor. Pat. Appl.