手性化合物制备的方法

氢化
Anic, Enichem 高砂 M onsanto M onsanto
。手性软件 ( chirbase) 能更加方 便地
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优化操作条件 , 提高拆分效率 2 生物法 2. 1 天然物的提取
。
氢甲酰化 氢氰化
Union Carbide Du Pont J. T. Baker ARCO
从生物体内分离提取手性化合物是最直接、 最 原始的获得手性物的方法。由于受生物资源和手性 物含量的限制 , 此法难以满足人类对某些有价值的 手性物日益增长的需要。 2. 2 酶法获得手性化合物 生命过程是一个几乎全由酶催化的化学反应过 程。酶不仅可催化任何已知的化学反应, 还可催化 目前人们还不能用化学方法进行的化学反应; 不仅 可催化合成结构简单的化合物, 还可催化合成结构 极为复杂、 具有生物活性的大分子和高分子化合物。 有人估计, 在生物界大约存在 10 种酶。目前工业 用酶大部分来自微生物 , 少数来自植物和动物。随 着基因工程、 蛋白质工程技术的广泛应用, 受资源限 制的植物和动物来源的酶也可通过微生物发酵大规 模生产, 使酶的应用得到广泛拓展
类别 对映体拆分 不对称合成 去外消旋化 手性集中 立体转化 起始物 外消旋产物或衍生物 潜手性化合物 外消旋底物 光学活性底物 消旋底物
的水解酶也可再用于催化合成反应 ; 多酶反应系统 和酶再生系统的研究 , 解决了许多酶反应的辅酶供 给、 多酶接力连续反应问题, 进一步拓展了酶催化反 应的应用范围。 目前 , 利用酶催化反应制备手性化合物的方法 主要有以下几种, 如表 2 所示。
1 作者 : 男, 26 岁 , 博士研究生 , 研究方向 : 生物化工
已合成出近千种手性配体, 其中 BINAP、 DIOP 等用 于某些反 应, 光学选择性已达到 或接近 100% 。在 催化反应研究方面 , 已在氢化、 环氧化、 环丙烷化、 烯 烃异构化 , 氢氰化、 氢硅烷化、 双烯加成、 烯丙基烷基 化等几十种反应中取得成功。并在均相催化剂负载 化 、 水溶性配体固载化等研究中也取得了突出成 果 。 1973 年 Monsanto 公司用不对称催化生产 L- 多 巴胺 , 开创了手性催化工业应用的新纪元。至今已 有多家公司应用不对称催化氢化、 环氧化、 环丙烷化 等反应生产光学纯医药、 农药、 香料 等。其中日本 高砂公司用此技术生产出 L - 薄荷醇 9t, 并生产铃 兰香精等共约 1500t, 成为目前手性催化工业应用规 模最大实例 。 1. 2 手性源合成 以价廉易得的天然手性物为原料 , 经构型保留、 构型转化或手性转换等反应, 可以方便地合成新的 手性化合物 。如用乳酸可合成 ( R) - 苯氧基丙酸 类除草剂。氨基酸、 羟基酸、 萜烯、 糖类、 生物碱等天 然产物来源丰富, 光学纯度高 , 是最常用的手性源, 不但在合成应用中颇具吸引力, 并可衍生出许多手 性试剂和配体。同时 , 有机合成的发展也为手性合 成提供了醇、 胺、 环氧化物等非天然手性源。 1. 3 选择吸附拆分法 选择吸附拆分法就是利用某种旋光性物质作为 吸附剂, 使之选择性的吸附外消旋体中的一个异物 体, 从而达到拆分的目的。 1. 4 结晶法拆分 89
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不对催化合成在工业中的应用
生产公司 Monsant o, VEB Isischemic 金属 Rh Rh Ru Ru Ru Rh Ni Ti Ti Ti Ti Mn Cu Rh Rh B 最终产物 L- 多巴胺 L- 苯丙氯酸 沙纳霉素 萘普生 ( S) - 布洛芬 萘普生 萘普生 环氧十九烷 缩水甘油 普萘洛你 C8- 环氧醇 抗高血压药 西司他丁 L- 薄荷醇 铃兰香精 酶阻滞剂 MK- 0417 Ni C14- B- 羟基酸
生物工程进展 2001, Vol. 21, No. 6
技术与方法
手性化合物制备的方法
于 平
1ຫໍສະໝຸດ Baidu
岑沛霖
2
励建荣
1 杭州 310027)
( 1 杭州商学院食品、 生物与环境工程学院
310035; 2 浙江大学生物工程研究所
摘要
手性是自然界最重要的属性之一 , 分子手性识别在生命活动中起着极为重要的作用。 同一
[ 11] 23
环氧化
ARCO Upjohn E. M erck
环丙烷化 烯烃异构化
住友 , Merck 高砂 高砂 Merck sharp
C= O 还原
Dohme Hoffman -la Roche
1. 5
化学拆分法 其基本原理如下 : 将外消旋体转化为非对映体 ,
由于非对映体的物理性质不相同。因此可以将它们 分开, 最后再把分离得到的两种衍生物分别变为原 来的旋光化合物 , 即可达到拆分的目的。在应用化 学法进行拆分时 , 必须先使其与手性酸、 碱等拆分试 剂作用生成非对映异构体, 然后再用结晶、 蒸馏、 色 谱等方法进行分离
。拆分法理论产率为 50% , 必
须使非目标对映体轮回不断消旋化, 方可使目标对 映体产率接近 100% 。以樟脑磺酸 ( CAS) 为拆分剂 生产 D- 苯甘氨酸( D- PG) 已达年产千吨规模 90
[ 7]
。随着酶
工程技术的发展, 酶催化的优点正进一步扩大, 缺点 正得到改善和克服 , 比如酶和细胞的固定化技术 , 可
酶催化反应制备手性化合物的方法
最大理论产率 50% 100% 100% 100% 100% 酶 类 水解酶类 , 氧化还原酶类 裂解酶类 , 连接酶类 , 水解酶类 , 氧化还原酶类 水解酶类 , 氧化还原酶类 , 裂解酶类 , 异构酶类 裂解酶类 , 转移酶类 氧化还原酶类 , 连接酶类
根据发表的文献统计 , 手性化合物和药物生物 合成和拆分研究中各种酶的比例是不一致的 , 水解 [ 13] 酶应用较多 。如果使用纯氧化还原酶催化, 则需 要在反应体系中加入辅助因子 , 这在实际应用上是 很不经济的, 为了使辅助因子能够循环利用, 需有辅 助因子再生反应系统与之偶联。因此, 氧化还原酶 [ 14] 的研究多集中在全细胞生物催化 。 至今 , 获得手性化合物的方法主要有酶法拆分 和酶法不对称合成两种。 2. 2. 1 酶法拆分外消旋体 这种方法在医药和氨基酸工业中有较多应用。 萘普生( Naproxen) 是一种销售额很高的非甾体抗炎 药物 ( Nonsteroidal Antiinflammatory agents) , 其 ( S) 构 型抗炎活性是 ( R) 异物体的 28 倍。以前市售的 ( S) 一萘普生是用化学拆分方法得到的, 由于专利已经 在 1993 年底失效。在此之前, 多家公司都在努力发 展这一高值产品的制备新方法 , 特别是不对称合成 方法, 如孟山都公司利用电化学方法及不对称氢化 反应 , 杜邦公司利用不对称氢氰化反应 ; 意大利 Zambon 公司则利用缩酮的不对称溴化和重排反应 颇具有实用价值。意大利的 Battistel 等用固定于载 体 Amberlite XAD- 7 上的圆柱状假丝酵母脂肪酶对 萘普生的乙氧基乙酯进行水解拆分 , 并对温度、 底物 浓度和产物抑制等进行了研究, 最后使用 500ml 的 柱式反应器 , 在连续进行了 1200h 的反应后 , 得到了 18kg 的光学纯( S) 一萘普生 , 酶活几乎无甚损失 。 青霉素酰化酶对苯乙酰胺基团有较高的立体选 择性
化合物的两个对映体之间不仅具有不同的光学性质和物理化学性质, 而且它们具有不同的生物活 性, 比如在药理上, 药物作用包括酶的抑制、 膜的传递 、 受体结合等均和药物的立体化学有关 ; 手性 药物的对映体的生物学活性、 毒性 、 代谢和药物素质完全不同 。 手性化合物的制备已成为当前国 内外较热门的研究课题之一。 本文从非生物法和生物法两个方面较全面地综述了手性化合物的 制备方法, 希望为相关研究者提供参考。 关键词 手性化合物 制备 立体化学 手性是自然界最重要的属性之一, 分子手性识 别在生命活动中起着极为重要的作用。同一化合物 的两个对映体之间不仅具有不同的光学性质和物理 化学性质 , 而且它们具有不同的生物活性, 比如在药 理上, 药物作用包括酶的抑制、 膜的传递、 受体结合 等, 均和药物的立体化学有关 ; 手性药物的对映体的 生物学活性、 毒性、 代谢和药物素质完全不同。获得 手性化合物的方法, 不外乎非生物法和生物法两种。 1 非生物法 非生物催化主要是指采用化学控制等手段来获 得手性化合物, 它主要包括以下几方面 : 1. 1 不对称合成法制备手性化合物 手性合成已经历过相当长的历史, 但早期的科 学研究仅限于对天然产物的化学改性, 没有商业价 值。不对称合成需在反应体系中引入不对称因素 , 如手性试剂、 催化剂等。在底物分子上引入手性辅 助基团控制反应立体选择性, 需要大量手性物质, 操 作繁琐。因此化学计量型不对称合成除应用廉价天 然手性源外, 均难以工业应用。 60 年代后期出现的手性配体过渡金属络合物 催化的不对称合成, 明显优于化学计量不对称合成。 它仅用少量手性催化剂即可将大量前手性底物对映 体选择性地转化为手性产物。经过 20 多年研究已 发展成最经济有效地合成手性物质的一种方法。现
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若外消旋体所形成的晶体是外消旋混合物 , 则 可直接在其过饱和溶液中加入某一对映体晶种进行 诱晶得到该对映体。依加入晶种方式的不同 , 可分 为同时结晶和有择结晶两类。同时结晶是在过饱和 溶液两个区域分别加入相反手性的晶种, 同时得到 两种对映体结晶。如 L- 甲基多巴胺、 L - 薄荷醇生 产即采用此法; 有择结晶是轮流加入两对映体晶种 以更迭诱导其结晶, 此法已用于生产谷氨酸、 氯霉素 和萘普生等。这种直接结晶法拆分较方便、 经济, 但 其应用范围有限 , 因为整个外消旋体中以混合物存 在的仅占 10% 。 表1
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癫痫病的治疗药物 , 但它们的生物活性完全取决于 它的立体结构。 - 乙炔基 - GABA- T 的 ( R) - 异 构体有生物活性 , 而 - 丙二烯基 - GABA- T 和 - 乙烯 基 - GA- BA - T 是 ( S) - 异构体有生 物活 性。 - 乙炔基- GABA- A 的生产是使用固定化青 霉素酰化酶, 规模达到 100kg 。 由近圆柱假丝酵母产生的脂肪酶应用在抗抑郁 药 thiazesim 合成 所需的 中间 体拆 分上, 2 - aryl 1, 5 benzothiazepin -4 - ( 5H )- one 是 合 成一 系 列 benzothia zepin药物的基本结构 ; 同样的拆分方法也可应用在 冠状血管舒张 diltiazem 的合成及合成 - 生育酚 ( 维 生素 E) 和几种降血糖降血脂药的中间体 ( S)- 6 - 羟基 - 2, 5, 7, 8 - 四甲 基 -2 - 色满甲醇的 拆分。结果表 明脂 肪酶用于拆分制备光学活性的 - 羟基叔碳酸要比 仲碳酸难度大些。 高效抗炎和去痛药物 ketorlac 的 ( S) - 异构体的 药效比( R) - 对映体高, 可以用脂肪酶进行拆分, 而 且具有高立体选择性, 但只是对不需要的 ( R) - 异 构体有效。如果使用灰色链霉菌蛋白酶可有选择水 解( S) - 酯, 产物分离后, ( R) - 酯在碱性条件下消 旋化 , 只一次循环获得的 92% 的 ( S) - 酸的收率, 光 学纯度 85% 。 利用蛋白酶的立体选择性水解也可进行手性拆 分。灰色链霉蛋白酶和枯草杆菌蛋白酶对氨基酸酯 的水解具有很高的立体选择性, 用于拆分合成广谱 抗生氯霉素和 florfenicol 所需要的中间体, 已取得非 常满意的结果。 2. 2. 2 酶法不对称合成 近年来发展的生物不对称合成法是直接将前体 转化为所需要的手性化合物 , 产物光学活性纯度高, 91
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。
酶作为生物催化剂, 与化学催化剂相比具有更 多的优点。它催化条件温和, 一般在接近中性的水 溶液中和室温条件下催化反应; 具有极高的催化效 率和反应速度 , 通常可比化学催化的反应高 10 倍; 更重要的是, 酶催化具有高度的底物、 区域、 位点和 立体化学性, 因此副反应少, 产率很高
[ 12] 10
反应类型
1. 6 动力学拆分 在手性试剂或催化剂作用下 , 利用两个对映体 反应速度不同而使其分离。通过调节转化率可控制 底物 ( 反 应 速 度 慢 的 对 映 体 ) 的 对 映 体 过 剩 值 ( ee% ) 。工业应用要求两对速度常数之比 E 值大于 20, 才能使转化率 50% 左右时产物就有较高 ee% 。 理想的拆分技术应使非目标对映体被转化、 不 反应或外消旋。催化动力学拆分经济上更有利, 在 环氧化、 氢化反应中已有成功的例子。下式即是底 物原位外消旋化与催化剂严格手性识别相结合, 使 产物达到高 ee 值及 100% 产率的一个例子。 1. 7 色谱分离 手性色谱可方便、 准确、 迅速地测完样品的光学 纯度和绝对构型。手性制备色谱已成为分离、 纯化 少量旋光物质的最有效方法。其中手性固定相液相 色谱最有前途。利用模拟移动床色谱已可进行吨级 规模的拆分
。
以明显改善和提高酶的稳定性和使用寿命, 改变酶 反应性能和操作性能 , 使酶可以重复使用, 有利于实 现酶催化反应的连续化和自动化 ; 近年来有机相酶 催化的发展, 改变了水相转化的传统概念, 有机相在 酶反应中的应用 , 提高了非水溶性底物的溶解度, 并 可改变反应平衡和反应方向 , 传统上催化水解反应 表2