（物理化学专业论文）生物素的全合成及其结构—功能关系研究.pdf

摘要 不论是在有机全合成领域，还是分子生物学领域，生物素都是一个科学研 究的经典范例，自其发现以来一直是化学家、生物学家和化学工程师关注的“明 星分子”。论文也将围绕生物素在有机全合成与生物学上的这两个意义来展开工 作。 与一般的全合成目标相比，生物素的结构看似简单，实则不然。这个分子 式为c l o h l 6 0 3 n 2 s 的分子由一个昧唑环和一个噻吩环的二环系统组成，在嚷吩环 上又连一个正戊酸侧链，而且噻吩环还有三个全顺式构型的立体中心。生物素 的高复杂效率使得其成为有机全合成领域的理想目标分子。经过6 0 多年来化学 工作者的不懈努力，生物素的全合成取得了长足的进步，己产生了数十种各具 特色的全合成方法。论文对生物素全合成的文献进行了综述，重点讨论了目前 工业上最有竞争力的内酯一硫代内酯路线，展示了生物素是如何以最少的步骤 去逐步构建目标产物的官能团骨架并同时解决立体化学问题的。从工业化潜力 的角度，我们设计了一条全合成路线：以反丁烯二酸为起始原料，经过溴加成、 苄胺取代、环合、合成酰亚胺、还原、合成内酯、硫代、上侧链、催化加氢、 脱苄基十步反应合成得到凸生物素。然后，又运用绿色化学的原理对全合成工 艺进行了绿色化改造，去除了大部分有毒有害的试剂，回收利用了9 0 以上的 溶剂，迸一步提高了反应的原子经济性和转化率，从而大幅度降低了原生产工 艺中的环境污染和能源消耗。整条路线总收率约为1 8 6 ，工艺简单，原料成本 低，基本实现了清洁生产，于2 0 0 2 年在浙江省成功实现了工业化。通过生物素 的全合成研究可以看到，在多数情况下绿色化学的目标与追求经济效益的目标 是一致的。绿色化学确实是有效的。 生物素羧化酶是目前研究酶催化反应的一个经典体系。尽管对生物素的生 理机制已经有了大量的研究，但其结构一功能关系仍未被充分地理解。生物分 子都是在水溶液中才具有功能和活性的，它们的生物功能是由其化学结构和理 化性质决定的，而这种构效关系主要由水溶液中的弱相互作用决定的。因此论 文首先对水溶液中弱相互作用的现代研究方法进行了介绍，从中选择谱学实验、 热力学理论、量子化学理论计算和分子动力学模拟作为研究手段。然后从生物 素的谱学和生物学实验出发，先建立了合理的生物素结构一功能关系模型：接 着采用核磁共振和分子动力学模拟对不同溶液中生物素的构象和动力学进行分 析；从中抽提出典型的构象，结合量子化学理论计算进一步分析了生物素分子 中各个组成部分的角色以及它们与水分子形成分子聚集体的协同作用机理，主 要得出以下结论：( 1 ) 生物素的每个原子都完美地组成了其独特的空间结构，三 个全顺式手性碳使得环脲、硫原子和侧链之间能在水溶液中相互作用，形成了 一个很大的电子离域体系。但砌4 链的羧基能与羧化酶结合对底物进行识别，还 会与环脲部分作用形成分子内氢键的构象，从而造成了两个n h 基团的差异。( 3 ) 水分子使得生物素在水溶液中的结构呈高度柔性，存在一个伸展、半折叠和折 叠构象的动态平衡。虽然形成分子内氢键的折叠构象在溶液中出现的时间很短， 但这正是人们所希望的结果，可以通过生物素在水溶液中形成折叠构象及其产 生的氢键协同作用作为“开关”来控制酶催化过程。在生物素的结构一功能关系 中，弱相互作用扮演了非常重要的角色。我们认为生物素的独特结构及其在水 溶液中的构象柔性及氢键协同作用在酶催化过程中扮演了决定性的角色。氢键 协同作用也是生物素一亲合素，链酶亲合素体系特别稳定的一个重要原因。 关键词：生物素，全合成，绿色化学，结构一功能关系，弱相互作用 n a b s t r a c t b i o t i ni sa s t a rm o l e c u l e ”f o re i t h e ro r g a n i ct o t a ls y u t h e s i so rm o l e c u l a rb i o l o g y e v e rs i n c ei tw a sd i s c o v e r e d b i o t i nh a sa t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no fs y n t h e t i cc h e m i s t s ， i n d u s t r i a le n g i n e e ra n d b i o l o g i s td u et ot h ef u n d a m e n t a l a n dc o r m n e r e i a li m p o r t a n c e t b i sd i s s e r t a t i o nw i l lc o n c e n t r a t eo nt h ea b o v ea s p e c t st ow o r ko v e r , i nc o m p a r i s o nw i mm o s tp r e s e n ts y n t h e t i ct a r g e t s b i o t i np o s s e s s e sad e c e p t i v e l y s i m p l e - l o o k i n gs t r u c t u r e i n d e e d ，t h eg o h l 6 0 3 n 2 sm o l e c u l ep o s s e s s e sas t r u c t u r e t h a ti sc h a r a c t e r i z e db ya l la t t r a c t i v ec o m b i n a t i o no fc o n s t i t u t i o na n ds t e r e o c h e m i s t r y i t ss k e l e t o nc o n s i s t so fab i c y c l i ch e t e r o c y c l i cs k e l e t o nt ow h i c hi sa p p e n d e da f o n e t i o n a l i z e ds i d ec h a i n i tf ；u l t h e rp o s s e s s e st h r e ec o n t i g u o u s ，l c ss t e r e o c e n t e r s o nt h et h i o p h a n e r i n g m s t r u c t u r a ld i m e n s i o na n d c o m p l e x i t ym a k e b i o t i nt ob ea n i d e a ls y n t h e t i ct a r g e tac o n t i n u o u se n d e a v o ro fa b o u t6 0y e a r sh a sr e s u l t e di nm o r e t h a n 4 0o r i g i n a l r o u t e si nt h ef i e l d t h ep r e s e n td i s s e r t a t i o nr e v i e w st h et o t a ls y n t h e s i s o f b i o t i n , p a r t i 洲y o i lh o f f i a m u n - l ar o c h a sl a e t o n e - t h i o l a c t e n ea p p r o a c ht 血e l a c t o n e - t h i o l a c t o n ea p p r o a c hi sp r e s e n t l yt h em o s tc o m p e t i t i v ec o m m e r c i a lr o u t e ， w h i c hg i v e sa ne x c e l l e n ti l l u s t r a t i o no f t h ag r a d u a lc o n s l m c t i o no ft h ef u u e t i o n a l i z e d s k e l e t o nw i t ht h es i m u l t a n e o u ss o l u t i o no ft h es t e r e o c h e m i c a li s s u e si nam i n i m a l n u m b e ro fs t e p s ，f r o mt h ep o i n to fv i e wo fc o m m e r c i a lp r o d u c t i o n , w ed e s i g na c o m m e r c i a l l ya p p l i c a b l er o u t e ：( e ) - f t 疵c a c i di sc h o s e nt ob es t a r t i n gm a t e r i a la si n c h i l a lp o o la n df o l l o w e db yt e ns t e p st oo b t a i nd - b i o t i n t h e n , w ea d o p tt h ep r i n c i p l e o fg r e e nc h e m i s t r yt oi l 1 1 0 f o v et h ep r o c e s s e s t b en e wr o u t er e d u c e so re l i m i n a t e st h e u s ea n dg e n e r a t i o no fam a j o r i t yo fh a z a r d o u ss u b s t a n c e s , r e c o v e rm o i et h a n9 0 0 e r c e n to fs o l v e n t sa n df u r t h e ri n c r e a s et h ea t o me c o n o m ya n dr a t eo fc o n v e r s i 0 1 】t t h et o t a ls y n t h e s i sa c h i e v e sr no v e l - y i e l do f1 8 6 a n d u l t i m a t e l yr e a c h e sc l e a n p r n d u c t i o ma sar e s u l to ft h es i m p l ep r o c e s sa n dc o m p e t i t i v ec o s t , w es u c c e e dt o r e a l i z et h ec o m m e r c i a lp r o d u c t i o no fb i o t i ni nz h e j i a n gp r o v i n c ei n2 0 0 2 t h ef a c t p r o v e st h a tg r e e nc h e m i s t r yd o e sb e a ne f f e c t i v et o o lf o rc h e m i c a li n d u s t r y b i o t i na l s op r o v i d e sac l a s s i c a lc a s ei nt h ec o n t e x to fh a v e s t i g a t i o no fe n z y m e c a t a l y s i s 。a l t h o u g ht h ec a t a l y t i cm e c h a n i s m o f b i o t i nh a sb e e n w i d e l ys t u d i e d , i t sr o l e i nt h e p r o c e s s i ss f i l ln o t f u l l yu n d e r s t o o d u s u a l l y , t h e s l r u c t o r e - f u n c t i o n r e l a t i o n s h i p sd e p e n do nt h ew e a ki n t e r m o l e e u l a ri n t e r a c t i o ni na q u e o u ss o l u t i o n t h e r e f o r ea b o v ea l l , w er e v i e wt h ea d v a n c e si nm e t h o d o l o g yf o rt h er e s e a r c ho ft h e w e a ki n t e r a c t i o n o nt h eb a s i so f t h es p e c t r o s c o p i ca n db i o l o g i c a le x p e r i m e n t s , t h e s t x u e t m e f u n c t i o n r e l a t i o n s h i po f b i o t i n i sm o d e l e d t h e n n m 嘬e x p e r 蛆o n t s a n dm d m s i m u l a d o i l sa r eu s e dt os t u d yt h ec o n f o r m a t i o n a lp r o p e r t i e sa n dd y n a m i c so f b i o t i ni n w a t e r , d i m e t h y ls u l f o x i d ea n dc h l o r o f o r ms o l v e n t s , w h i c hg a l a sa l li n s i g h ti n t ot h e n a t u r eo ft h eb i o t i ns o l u t i o ns t r u c t u r e b yp m v i d i n g d a t a c o m p l e m e n t a r yt o t h e e x i s t i n ge x p e r i m e n t a ld a t a t h es i m u l a t i o n si n d i c a t et h a tb i o t i ni na q u e o u ss o l u t i o ni s h i g h l yf l e x i b l ea n dj u m p sb e t w e e ne x t e n d e d , s e m i - f o l d e da n df o l d e ds t a t e s t h e f o l d e dc o n f o r m a t i o n sv i ai n t r a m o l e e u l a rh y d r o g e n b o n d i n g a r eo b s e r v e d a l t h o u g ht h ef o l d e ds t a t e sh a p p e n a taf e wf r a c t i o n sd u r i n gt h es i m u l a t i o n , t h e yc o u l db ei m p o r t a n tt o t h eb i o l o g i c a l s i g n i f i c a n c e so fb i o t i n w h i l e t h e h y d r o p h i l i cc a r b o x y lg r o u pa p p r o a c ht h eo t h e rh y d r o p h i l i c u r e i d og r o u pv i a f o l d i n go v e ro ni t s e l f , w a t e rm o l e c u l e s w i l lg a t h e rr o u n dt of o r mt h eh y d r o g e n 7 b o n d i n gn e t w o r k ，w h i c hi n d u c e sh y d r o g e nb o n d i n gc o o p e r a t i v i t y q u a n t u m c h e m i c a lc a l c u l a t i o n sa r ef u r t h e re m p l o y e dt o i n v e s t i g a t et h ec o o p e r a t i v i t y b e t w e e nb i o t i na n dw a t e rm o l e c u l e si nd e t a i l t h e c o o p e r a t i v e e f f e c tw i l l a c t i v a t et h ei - n hp r o t o n ss o 也a tt h e1 - n hg r o u p b e d e p r o t o n a t e dm o r e e a s i l yb ys u i t a b l eg r o u p so f t h ee n z y l n oi ni t sv i c i n i t y t h i sb e h a v i o ri se x a c t l y w h a to n ew o u l d e x p e c tw h e n t h e r ei sas w i t c ht oc o n t r o lt h ee n z y m a t i c p r o c e s s e a c ha t o mo fb i o t i n p e r f e c t l y c o n s t i t u t e si t s s p a t i a l s t r u c t u r e t h et h r e e c o n t i g u o u sa l l - c i ss t e r e o e e n t e r sc a u s et h eu r e i d og r o u p ，s u l f u ra t o ma n dt h e c a r b o x y lg r o u po ft h e s i d ec h a i nt oi n t e r a c te a c ho t h e ra n df o r ma l a r g e d e l o e a l i z e de l e c t r o ns y s t e m w ec o n c l u d et h e u n i q u es t r u c t u r eo fb i o t i n ，i t s c o n f o r m a t i o n a l f l e x i b i l i t y i n a q u e o u s s o l u t i o na n d h y d r o g e nb o n d i n g c o o p e m t i v i t yp l a y a ne s s e n t i a lr o l ei nt h e c a t a l y t i cr e a c t i o n t h eh y d r o g e n b o n d i n gc o o p e r a t i v i t ym a yb et h er e a s o no ft h es t r o n ga n ds p e c i f i cb i n d i n g b e t w e e nb i o t i na n da v i d i n s t r e p t a v i d i n k e y w o r d ：b i o t i n ， t o t a l s y n t h e s i s ，g r e e nc h e m i s t r y ，s 帆l c t i l r e 劬c t i o n ， r e l a t i o n s h i p ，w e a ki n t e r a c t i o n i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘鲎或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 宵芬殳 签字日期： 山v 年6 月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解迸望盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并j 甸国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅 和借阅。本人授权逝鎏盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行榆索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 留毅 导师签名 签字日期：j 。牛年6 月p 日 签字日期：a m 铲6 月9 日 学位论文作者毕业后玄向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 浙江大学博士学位论文。生物素的_ 牟= 合成及其结构一性质关系研究 第一章绪论 i t si m p o s s i b l et os o l v ep r o b l e m st h r o u g ht h ew a y o f t h i n k i n gt h a th a d l e a dt o t h e m - - - - - - - - a i b e r te i n s t e i n 1 1 生物素简介 1 1 1 生物素的历史 o 生物素( b i o t i n ，a c sn o 5 8 8 5 - 5 ) ( 图1 1 ) ，分子式 h n n hc 1 0 i t l v q 2 0 3 s ，分子量2 4 4 3 1 ，系统命名为六氢之氧化 厂弋一1 h - 噻吩并 3 , a - a 咪唑- 4 - 戊酸 ( 3 a s , 4 s , 6 a r ) - 2 ，3 ，3 a 4 ，6 ， s、一c o o h 6 a - h e x a h y d r o - 2 一o x o - l h - t h i e n o 3 , 4 叫 i m i d a z o l c 4 删a 血一 图1 1 生物素的结构 o i c a c i d 。在发现过程中曾先后被称为辅酶r ( c o e n z y m e r ) 、生物活素1 1 8 ( h i o s i ib ) 、因子x ( f a c t o rx ) 、因子 w ( f a c t o rw ) 、维生素b ，( v i t a m i nb 曲等”。 2 0 世纪初，人们就开始对生物素有初步的认识。1 9 0 1 年，w i l d i c r s 首先发 现在酵母及麦芽汁中存在一种酵母生长所需的因子，并将其称为生物活素 ( b i o s ) 5 。后来的实验证明生物活素实际是由几种成分( b i o si ，b i o si i a ，b i o si i b ) 所组成的，其中b i o si i b 后来被证明为生物素。1 9 1 6 年，b a t e m a n 观察到实验动 物饲养以高剂量的生蛋清时发生皮炎和脱毛6 0b o a s 也于1 9 2 7 年在大鼠身上予 以证实；同时发现在肝脏中有一种物质可治疗生蛋清引起的伤害，并称其为“保 护因子”6 。c - y 6 r g y 于1 9 3 1 年也独立地发现肝中存在该因子，并称其为维生素h ( h a u t ，在德语中表示皮肤) 7 。1 9 3 3 年，a l l i s o n 等从豆科植物中分离出一种呼 吸辅酶，对一种固氮细菌的生长十分重要，并把其命名为辅酶r 6 。直到1 9 3 6 年， k 6 9 l 和t 6 n n i s 才第一次从蛋黄中将其分离出来，并将其命名为“生物素”8 。后来， d u v i g n e a u d 研究小组成功地从牛肝和牛奶浓缩物中分离得到生物素，并认为生 物素、维生素h 和辅酶r 是同一种物质。d uv i g n e a u d 研究小组又分别在1 9 4 1 年和1 9 4 2 年确定了生物素的经验分子式”和结构”。1 9 4 3 年，h a r r i s 及其同事 首次完成了生物素的全合成1 2 1 9 4 9 年，c , o l d b e r g 和s t e m b a c h 用全合成的方法 实现了生物素的工业化1 3 0 1 9 5 9 年，l y n c h 研究小组阐明了生物素的生物学功能， 为后来羧化酶机理的研究奠定了基础1 4 01 9 6 6 年，t r o t t e r 通过x 晶体衍射分析 确定了天然z ) _ 生物素的绝对构型o 。 1 1 2 结构与命名 生物素由一个咪唑环、一个四氢噻吩环和一个正戊酸侧链组成。从生物素的 第一章绪论 化学结构来看，其分子中具有3 个手性中心，理论上应有8 个不同的立体异构体， 两两构成四对对映体系：消旋的生物素( d l b i o t i n ) 和消旋的表一生物素( d l e p i - b i o t i n ) “，别生物素( d 己一a l l o - b i o t i n ) 17 ，表别一生物素( d l 印f ，d _ b i o 缸广。这四 对立体异构体都已被合成。1 9 5 2 年，瑞士巴塞尔大学的学者们指出生物素人工 合成的四对立体异构体可示意如图1 2 。在四对立体异构体中只有n 生物素是具 有生物活性的，d l 一生物素的活性只有天然d i 生物素的一半。 生物素 b i o t i n n n 表生物素别生物素 e p i - b i o t i n a l l o - b i o t i n 图1 2 生物素的四对立体异构体 表别一生物素 e p i - a l l o - b i o f m 1 1 3 生物素的衍生物和类似物 生物素有很多衍生物和类似物”，主要品种列于表1 1 中。 1 1 4 理化性质 天然状态的生物素，从水中结晶出来为无色的细长针状晶体，熔点 2 3 2 - 2 3 3 9 c ，密度1 4 1 9 ，c m j 。它是一元弱酸( 6 3 1 0 ，在热水或弱碱中溶解， 难溶于冷水。在水中2 5 c 时溶解度为0 0 2 2 9 l o o m l ；在乙醇中2 5 ( 2 时溶解度为 0 0 8 0 9 l o o m l ：几乎不溶于有机溶剂，其钠盐极易溶于水。在2 3 4 n m 紫外区有 最大吸收峰：天然的生物素具有旋光活性，君= 9 1 3 。( o 1m o l f ln a o h 水溶液) 。 干的d 一生物素对空气、日光和热都相当稳定，若受紫外线照射会被逐渐破坏。 在弱酸或弱碱水溶液相对稳定，在强酸和强碱溶液中加热会破坏生物素的生物活 性。 2 pr 儿诲 l 1 浙江大学博士学位论文生物素的全合成及其结构一性质关系研究 袁1 1 生物素的衍生物和类似物 名称分子式 c a s 蹙录号 、，结构弋 说明 盖k 生物素甲酯 b i o t i nm e t h y l e s t e r 氧代生物素 o x y b i o t i n 去硫生物素 d e s t h i o b i o t i n 生物索亚砜 b i o t i ns - o x i d e 石m 1 8 心0 3 s【6 0 5 6 2 1 1 叫= s ( c h 9 4 c o o c h 3具有生物素同样 功能 c i o h i s n 2 0 4 1 4 4 7 4 - 9 1 - 0 = o ( c 1 1 2 ) 4 c o o h c i o h i g n 2 0 3【5 3 3 4 8 - 2 一h ( c h 2 ) 4 c o o h c l m l 6 n 2 0 4 s 3 3 7 6 - 8 3 - 8 】= s o ( c h 2 ) 4 c o o h 凸生物素醇c l 越1 8 n 2 0 3 s 5 3 9 0 6 3 6 - 8 】 = s ( c h 2 ) 4 c h 2 0 h d - b i o f f u o l 高生物素 h o m o b i o f i n 降生物素 n o r b i o l i n c o h l 4 1 q 2 0 3 s 6 6 9 - 7 2 - 7 = s ( c h z ) 3 c o o h 在大鼠、鸡体内具。 生物素活性 生物素的正式前馋 天然存在的生物 氧化产物；对大鼠， 活性，对某些酵母， 微生物有活性 口生物素的醇类一 物，在鼠体内能够一 化成生物素 去氢生物素c 1 口1 1 1 4 q 2 0 3 8 1 0 1 1 8 8 5 - 1 = s( c h 2 m a d 2 c o ( ) h 生囊迎! 些 1 1 5 生化功能和药理作用 生物素在自然界普遍存在于动植物体内，尤其是动物的肝、肾、脾、酵母及 蛋黄中比较丰富。生物素是羧化酶的辅酶，也是糖、蛋白质和脂肪中间代谢的重 要辅酶”。这些依赖生物素参与的羧化酶对催化葡萄糖、氨基酸和脂肪酸的代谢 有至关重要的作用。生物素还作为辅酶成分参与其它营养物质如甲基转移反应和 糖代谢等代谢过程；与溶菌酶活化和皮脂腺的功能有关；还与维生素b 6 、b m c 、叶酸、泛酸的代谢密切相关。最近的研究还发现，生物素可能会影响基因的 表达2 0 , 2 。人体若缺乏生物素则会引起皮炎、食欲不振、恶心、呕吐、脱发、体 重降低、贫血、血中胆固醇升高和精神抑郁等病症。若动物缺乏，将会导致生长 迟缓和发育不良、皮炎、脱毛、神经过敏等症状”。 1 1 6 应用 生物素广泛应用于饲料添加剂、医药、生物技术、食品和化妆品等方面。 医药可用于治疗各种生物素缺乏症。由于肠道内细菌能自身合成生物素， 因此生物素缺乏症很少在人身上发生。但由于一些人为的原因，如大量食用生鸡 蛋清，就会造成生物素缺乏症。在少数的婴儿身上还发现一种罕见的依赖生物素 羧化酶的先天性疾病。这些症状都可以通过生物素进行治疗。 近年来的研究发现，即使体内的生物素正常，给予一定的生物素也能治疗多 第一章绪论 种疾病，特别是皮肤病。对伴有皮肤病症状的内脏疾病也可通过生物素治疗。生 物素也用于辅助治疗糖尿病，甲| 在2 0 世纪8 0 年代初c o g g e s h a u 就发表过这方面 的专利2 2 。 人体需要补充生物素还有多方面的原因。首先，生物素矛u 叶酸、v b l 2 、v c 、 v b 。、泛酸钙有密切关系，缺乏生物素可明显影响叶酸在体内的作用，导致体内 v b l 2 、v c 、v b l 含量的变化。其次，卵蛋白和脂肪的摄入量越多，生物素的需 求量越大，乳汁中若缺乏生物素则婴儿易患湿疹。再次，人血液中生物素的含量 随年龄增长而降低，高血压和动脉硬化的老年患者血液中生物索的含量比健康年 轻人要低得多。所以，在多维制剂中一般都需要加入生物素组分。 食品和饲料工业生物素是维持动物正常生长、发育、繁殖及保持皮肤、羽 毛和骨骼健康所必需的维生素，对幼龄动物尤其重要。动物实验证明，当给大鼠 不含有生物素的饲料时，发现皮下脂肪比正常的减少三分之一，并且显示亲脂滤 泡阻塞，充血，表皮增生和角化”。生物素也参与雏鸡体内不饱和脂肪酸链的延 长“。哺乳动物、禽类及鱼类缺乏生物素将影响其新生期发育，特别是在形成骨 骼方面，同时也会造成足部损害，鳞屑状皮炎和皮肤脓泡等”。另外，生物素还 可用作食品营养强化剂，例如在运动员的饮料中加入生物素”。 生物技术生物素和亲和素( a v i d i n ) 、链酶亲和素( s t r e p t a v i d i n ) 具有高度特异 的亲和性，能形成极其稳定的缔合体，是目前蛋白质一生物小分子体系中结合自 由能最强的体系之一2 7 - 3 1o 在中性条件下，生物素一亲和素的解离常数为1 0 。5 m o l l ，生物素一链酶亲和素的解离常数为l f f “m o l l ，远远高于一般的配体 受体作用，仅比化学键低一个数量级”。两个体系具有高度的稳定性，对p h 值、 温度或变性剂在很大变化范围内都能稳定存在。生物素一亲和素体系具有桥联作 用，二者都可以偶联蛋白质、核酸、多糖和酶等生物活性物质，还能与同相材料 结合。另外，一个蛋白质分子上可结合多个生物素分子，而一个亲和素又可以结 合四个生物素，因而生物素一亲和素体系还具有多极放大作用。生物素一亲和素 链酶亲和素的这些特性，使得它们在配体一受体基础研究和生物工程应用方面 如免疫化学、诊断分析、蛋白质工程等方面得到了广泛的应用”“。 4 浙江大学博士学位论文生物素的全合成披其结构一性质关系研究 1 2 课题目的和意义 与其他全合成日标相比，生物素的结构貌似简单，实则不然。它由一个咪唑 环和一个嚷吩环的二环系统组成，在噻吩环上又连一个正戊酸侧链；而且噻吩环 还有三个顺式构型的立体中心。这样的构型使得生物素的全台成在学术上具有较 高的代表性及研究价值，它需要研究人员具备杂环化学、立体化学、有机合成等 多方面的化学功底及高超的实验技能，是有机化学的理想研究对象。 生物素的全合成工艺路线长，工艺流程复杂，技术含量高，生产投资大，技 术长期被罗氏( r o c h o 、住友( s u m i m o t o ) 等国际大公司垄断。生物素目前世界总产 量约每年3 5 吨，其中约8 5 用作饲料添加剂，约1 5 用于医药、生物技术、化 妆品等方面。根据发展规划，至2 0 0 0 年我国饲料添加剂的维生素需求量已达2 万多吨，其中缺口最大的是生物素。在本论文刚开始进行的时候，生物素是国内 唯一不能自主生产的维生素，所需全部依赖进口。一般情况下，生物素的价格保 持在1 0 0 0 - 1 2 0 0 美元，公斤，价格卜分昂贵。我国是饲料需求大户，近年来饲料 工业发展迅速，对生物素的需求也越来越大，为了购买每年都要花费大量的外汇， 严重制约了我国饲料工业的发展。因此，在我国着手进行生物素的合成开发研究， 寻找一条适合我国国情的工艺路线，有着极其重要的经济价值和社会意义。 因为生物素羧化酶从体内分离出来后仍能保持酶活性，且羧化酶可以直接与 生物素单体作用，很容易进行生物学实验，所以生物素羧化酶成为目前研究酶催 化机理的一个范例体系。生物素一亲合素( a v i d i n ) 链霉亲合索( s l r c p t a v i d i n ) 体系是 水溶液中己知的蛋白质和生物小分子配体通过非共价键结合的最稳定的体系之 一，而且它们之间具有高度的稳定性，这种特异性使得其成为研究蛋白质和小分 子配体相互作用的基准( b e n c h m a r k ) 。与结构复杂的生物大分子不同，分子式仅为 c l o h l c , n 2 0 3 s 的生物素具备了非常高的复杂效率和生理活性。有关生物素及其相 关体系的研究和应用已有大量报道，一直是生物学中的研究热点。对它们进一步 深入研究，有望从中获得生物体系中的一些普适性的规律。 5 第一章绪论 1 3 论文的主要内容 正是由于在学术和工业上的重要性，生物素自发现以来就引起化学家，生 物学家和化学工程师的共同关注。本论文将围绕以下几个方面来开展工作。 生物素的复杂效率使得其成为有机全合成领域的理想目标分子。经过5 0 多 年来化学工作者的不懈努力，生物素的全合成取得了长足的进步，己产生了数十 种各具特色的全合成方法。论文的第二章将对这些全合成方法进行综述，展 示了生物素是如何以最少的步骤去逐步构建目标产物的官能团骨架并同时解决 立体化学问题来完成全合成的。然后，从可工业化的角度出发，重点讨论在r o c h e 公司g o l d b c r g - s t e r n b a c h 法基础上发展并完善的内酯一硫代内酯路线，设计一条 具有工业化潜力的路线，初步合成锝到了具有活性的生物素。 在开发上面的全合成路线时，我们主要考虑的是以最低的成本和最快的速 度来获取目标化合物，中间可能会使用一些剧毒或高毒的化工原料。论文从绿色 化学的角度重新对生物素的全合成路线进行评价，用绿色化学的原理对全合成_ t 艺进行绿色化改造，获得工业生产上可行的生物素全合成工艺。 尽管关于生物素的生理作用机制已进行了大量工作，取得了很大的进展， 但具体机理至今还未被完全理解。生物分子都是在水溶液中才具有出活性的，它 们的生物功能是由其化学结构和理化性质决定的，而这种构效关系主要由水溶液 中的弱相互作用决定的。接着，沦文对分子间弱相互作用的研究工作进行了综述， 结合现代科学的最新进展，采用实验、理论和计算机模拟的方法对水溶液中生物 素的弱相互作用进行详细的研究，揭示弱相互作用在决定生物素的结构一功能关 系的作用及其产生生物活性的内在本质，并对一些生物学中的特异性质进行合理 的解释。 6 浙江大学博士学位论文：生物素的全合成及其结构性质关系研究 参考文献 ( 1 ) b u d a v a r i ，s ；o n e i l ，m j ；s m i t h ，a ；h e c k e l m a n ，p e ；k i n n e a r y , j f i nt h e m e r c ki n d e x ：a ne n c y c l o p a e d i ao f c h e m i c a l s , d r u g sa n db i o l o g i c a l s , 1 2 t he d i t i o n ；m e r c k ： n e w j e r s e y , 1 9 8 9 ( 2 ) g y 6 r g y , p ；z i l l i k e n ，fw i nf e r m e n t e h o r m o n e , i 玎t a m i n ，3 r de d ，v o t 31 ；g e o r g t h i e m ev e r l a g ：s t u t t g a t ，1 9 7 4 ( 3 ) a e h u t am u r t h y , pn ；m i s t r y , s pp r o g f o o d n u t r s c i 1 9 7 7 ，2 ，4 0 5 ( 4 ) r o b i n s o n ，f a i nt h ev i t a m i nc o - f a c t o r so fe n z y m es y s t e m s ；p e r g a m o np r e s s ： o x f o r d ，1 9 6 6 。 ( 5 ) w i l d i e r s ，e c e l l u l e1 9 0 1 ，8 ，31 3 ( 6 ) e n c y c l o p e d i ab r i t a n n i c a ；e n c y c l o p e d i ab r i t a n n i c a ：u k ，1 9 6 8 ( 7 ) g y o r g y , p - z t s c h r a r z t lf o r t b i l d1 9 3 1 ，2 8 ，3 7 7 ( 8 ) k 6 9 l , f _ ；t o n n i s ，b zp h y s i 0 1 c h e n t1 9 3 6 ，2 4 2 , 4 3 ( 9 ) ( a ) d uv i g u e a u d ，v ；h o f m a n n ，k ；m e l v i h ed b ；g y 6 r g ye 上b i 0 1 c h e m 1 9 4 1 ， 1 4 0 ，6 4 3 ( b ) m e l v i l l e ，d b ；h o f m a n n ，k 二h a g u e ，e ；d uv i g u o a u d ，vo r b i 0 1 c h e m 1 9 4 2 ，1 4 2 ，6 1 5 ( 1 0 ) d uv i g n e a u d ，v ；h o f n m n n ，k ；m e l v i l l e ，d b ；r a c h e l e ，j i t ，b i 0 1 c h e m 1 9 4 1 。 1 4 口7 6 3 ( 1 1 ) ( a ) d uv i g n e a u d ，v ；m e l v i l l e ，d b ；f o k k e r s ，i c ；w o l f , d e ；m o z i n g o ，r ； k e r e s z t e s y , j c ；h a r r i s ，s a zb i 0 1 c h e m 1 9 4 2 ，1 4 t4 7 5 ( b ) m e l v i l l e ，d b ； m o y e r ，a w ；h o f m a n n ，k ；d uv i g n e a u d 。v _ zb i 0 1 c h e m 1 9 4 2 ，