（应用化学专业论文）用胡萝卜和芹菜催化不对称还原芳香酮.pdf

摘要 yl3 9 8 8 之l 用胡萝i 、和芹菜催化不对称还原芳香酮 a s y m m e t r i cr e d u c t i o no f a r o m a t i ck e t o n e sc a t a l y z e db y c a r r o t aa n dc e l e r i a c 硕士研究生：张宝立导师：刘湘副教授、夏咏梅教授专业：应刚化学 摘要 手性醇是一类在手性碳上连有羟基的旋光性化合物，具有光、热和化学稳定性，是 医药、农药、材料及其他精细化工原料的重要组成部分及重要原料，由羰基的不对称转 化可制备一系列手性醇。不对称还原羰基化合物的方法较多，其中利用高等植物的生物 催化法被广泛使用。 本文先合成反应所需的苯丙酮，简化了反应操作条件，使其产率达到7 0 8 。然后 用硼氢化钠还原四种底物芳香酮，对得到的外消旋产物气相色谱分析，用来作为生物还 原产物气相分析检测的参照图谱。 文中用切碎的胡萝卜和芹菜作生物催化剂不对称还原四种芳香酮，制备具有光学活 性的9 1 芳基乙醇，反应主产物的对映选择性符合p r e l o g s 规则。以底物的转化率和产物 娶1 一芳基醇的对映体过量值为评价指标，采用单因素实验首次考察了植物的切碎形状、 反应体系的p h 值、反应时间、反应温度、底物浓度等因素对不对称还原苯乙酮、苯丙酮、 4 甲基苯乙酮和4 氯苯乙酮的影响，进一步优化了反应条件。但是底物的转化率和产物 的对映体过量值还受底物羰基两边取代基的电子效应和空间效应的影响。在最佳反应条 件下，用胡萝卜做生物催化剂，蒸馏水做反应介质时，底物苯乙酮的转化率超过9 8 ， 苯丙酮、4 甲基苯乙酮和4 氯苯乙酮的最高转化率分别为4 5 。l 、4 3 4 、3 8 8 ，相应 产物孓1 芳基乙醇的对映体过量值均可高达9 7 0 9 9 5 ；用芹菜做生物催化剂，以o 1 m o l l ，p h = 6 2 的磷酸盐缓冲溶液作反应介质，使得苯乙酮的转化率最高可达到1 0 0 ， 而其它三种芳香酮的转化率均明显较低，苯丙酮、4 甲基苯乙酮、4 氯苯乙酮的最高转 化率分别为4 4 7 、5 8 4 、3 7 4 ，产物1 芳基乙醇的对映体过量值均可大于9 9 。 为了更进一步地优化反应条件，在单因素实验结果分析的基础上，文中又以苯乙酮 为典型的还原底物，通过正交实验综合考察了用胡萝卜做生物催化剂时，反应体系的p h 值、反应温度、反应时间、底物浓度对苯乙酮的转化率和产物s 1 苯基乙醇的对映体过 量值的影响，得到了影响反应结果的主次顺序和较佳的反应条件。 此外，我们还用马铃薯、藕、地瓜、洋姜进行了四种芳香酮的不对称还原反应，进 步一扩大了植物催化剂的范围。 关键词：不对称还原；植物催化；苯乙酮；娶1 苯基乙醇 a bs t 】a c t a b s t r a c t o p t i c a l l ya c t i v ea r y l a l c o h o l sa r ev e r s a t i l eg r o u pa sc h i r a lb u i l d i n gb l o c kf o rt h e s y n t h e s e so fp h 锄a c e u t i c a l s ，a g r o c h e m i c a l s ，p h e r o m o n e s ，a 1 1 d1 i q u i dc r y s t a l s ，e t c t h e s e a l c o h o l sm a yb e o b t a i n e db ye n a n t i o s e l e c t i v er e d u c t i o no fp r o c h i r a lk e t o n e s ， a m o n g n u m e r o u sm e t h o d so fa s y m m e t r i cc a r b o n y lg r o u pr e d u c t i o n ，b i o c h e m i c a lm e t h o d su s i n g h i g h e rp l a n t sh a v eb e e nb e i n gw i d e l yu s e d i nm i sp 印e r ，p r o p i o p h e n o n ew a ss y n t h e s i z e df i r s t l y ，d u r i n gw h j c hm eo p e r a t i o np r o c e s s w a ss i m p l i 矽e d t h e n ，t h ea r o m a t i ck e t o n e sw e r er e d u c t i o n e dw i mn a b h 4 ，t h er a c e m i c a r y l a l c o h o l so fp r o d u c tm i x n l r ew e r ea n a l y s e db yg cb y 印p l i c a t i o no fc h i r a lc o l l u i 】n s ，w h i c h w e r eu s e da st h e6 7 锄eo fr e f 色r e n c eo fb i o r e d u c t i o n a tf i r s t ，a s y m m e t r i cr e d u c t i o no fa c e t o p h e n o n e ，p r o p i o p h e n o n e ，4 一m e t h y l a c e t o p h e n o n e a 1 1 d4 - c h o l o r a c e t o p h e n o n e ，w a ss t u d i e du s i n gc o m m i n u t e dc a 盯o t ar o o ta n dc e l e r i a cc u l m o p t i c a la c t i v e 1 一p h e n y l e t h a l l o lw a so b t a i n e d ，t h ee n 锄t i o s e l e c t i v 时o fm 勾o rp r o d u c tw a si n a c c o r d a n c ew i t ht h ep r e l o g sm l e t h ee 仃e c t so fs o m ef - a c t o r s ，i n c l u d i n gt h es h a p eo f c o m m u t e d p l a n t ， r e a c t i o nm e d i u m ，r e a c t i o n t i m e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ， s u b s t ra _ t e c o n c e n t r a t i o n ，o nt h ec o n v e r s i o no fa r i o m a t i ck e t o n e sa n dt h ee n a n t i o m e r i ce x c e s s e so f 孓1 一a r y l a l c o h o l sw e r ef i r s t l yi n v e s t 迳a t e db yo n e - f a c t o re x p e r i m e n t a ld e s i g n ，a n dt h e s e r e a c t i o nc o n d u c t i o n sw e r eo p t i m i z e d t h es t e r i cf - a c t o r sa 1 1 de l e c t r o n i ce f f e c t so fs u b s t i t u e n t s l i n k e dc a r b o n y lg r o u ph a v eb e e nf o u n dt os i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h ec o n v e r s i o no fs u b s t r a t e sa n d m ee n a n t i o m e r i ce x c e s s e so fp r o d u c t s u n d e ra p p r o p r i a t ec o n d i t i o n s ， w h e nc a r r o t aw a su s e d a sb i o c a t a l y s t ，d i s t i l l e rw a t e ra sr e a c t i o nm e d i u m ，t h ec o n v e r s i o no fa c e t o p h e n o n ee x c e e d e d 9 8 ， w h i l et h ec o n v e r s i o no f p r o p i o p h e n o n e ，4 m e t h y l a c e t o p h e n o n e a n d 4 c h o l o r a c e t o p h e n o n ew e r e4 5 1 ，4 3 4 ，38 8 ，r e s p e c t i v e l y ， a l lo ft h ee n a n t i o m e r i c e x c e s s e so fc o r r e s p o n d i n g 哥l - a r y la l c o h o l sc o u l db ea sh i g ha s9 7 o 9 9 5 ；a tt h et i m e c e l e r i a ca sb i o c a t a l y s ta n do 1 m o l l ，p h = 6 2p h o s p h a t eb u f f e ra sr e a c t i o nm e d i u m ，t h e c o n v e r s i o nr a t eo fa c e t o p h e n o n ec o u l db ea s h i 曲 a s10 0 ， t h ec o n v e s i o nr a t e so f p r o p i o p h e n o n e ，4 一m e t h y l - a c e t o p h e n o n ea n d4 c h o l o r a c e t o p h e n o n ew a so b v i o u l yl o 、v e r ，t h a t w a s4 4 7 ，5 8 4 ，3 7 4 ，r e s p e c t i v e l y ，b u tt h ee n a l l t i o m e r i ce x c e s sv a l u e so fc o r r e s p o n d i n g c h i r a la r y la l c o h o la l s oe x c e e d e d9 9 ，t h er e s u l t sw e r ee x c i t i l l g b a s e do nt h ef o r e g o i n ga n a l y t i c s ，a c e t o p h e n o n ew a sb i o r e d u c t i o n e da sav e r ) ，i n t e r e s t i n g m o d e ls u b s t r l t eb yt h eo r r t h o g o n a lm e t h o d t h ee 丘e c t so fs o m ef a c t o r s ，w h i c ha r er e a c t i o n m e d i u m ，r e a c t i o nt i m e ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n ，o nt h ea c e t o p h e n o n e c o n v e r s i o na n dt h ee n a n t i o m e r i ce x c e s so f l _ p h e n y l e t h a n o lw e r ei n v e s t i g a t e d 、v h e nu s e d c a r r o t aa sb i o c a t a l y s ti nm eo r t h o g o n a lm e t h o d ，a n dt h er e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d u l t e r i o r l y f u n h e 肌o r e ，t h ea r o m a t i ck e t o n e sw e r ea s y m m e t r i cr e d u c t i o n e db yp o t a t o ，l o t u sr o o t ， p a c h y r h i z u sa j l dj e m s a l e ma r t i c h o k e t h ep l a l l t su s e da sb i o c a t a l y s t sw e r ee x t e n d e d k e y w o r d s ：a s y m m e t r i cr e d u c t i o n ；p l a n tc a t a l y s i s ；a r o m a t i ck e t o n e ；1 - a r y l a l c o h o l i i 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。尽我所知，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，也不包含本人为获得江南 大学或其它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。 签名：龃 日 期翻q 卅l 一 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向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，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：馥蕉量 导师签名： 巫l 匕纽 第一章绪论 第一章绪论弟一早珀下匕 手性化合物是制备手性药物、农药、食品添加剂等精细化学品的关键性中间体，因 此，制备单一的对映体是近代有机合成中的一个重要课题，对于化学、生物学以及药学 的应用和研究是很重要的。药物的不对称合成曾被誉为二十一世纪药物研究开发的重要 方向之一。 药物分子的立体化学决定了其生物活性，手性已成为药物研究的一个关键因素，手 性是有机化合物三维结构的基本特性之一。如果一个有机化合物分子不能与其镜像重 合，该分子就称为手性分子，这种物质称为手性化合物。在这种情况下，这两种互为对 映关系的分子称为对映体。 在非手性条件下，这对对映体具有许多相同的化学和物理性质，如有相同的熔点、 色谱保留时间、i r 和n m r 谱等；同时它们之间也存在着一些不同的性质，如对映体使平 面偏振光发生旋转且方向相反，这种现象称为光学活性。 由于构成生命体系的生物大分子的大多数重要物质，如核酸、蛋白质、糖类分别由 右旋d n a ，l 氨基酸、左旋单糖构成，仅以一种对映形态存在。具有生物括性的手性 化合物例如手性药物，在与手性受体部位作用时存在空间匹配问题，若两者空间匹配则 药效高，反之药效低或者没有药效，致使两种对映的手性药物具有不同的生物特性。 由于各对映体表现出不同的药理活性，曾经也发生过悲剧。6 0 年代在欧洲，外消旋 的沙利度胺( t h a l i d o m i d e ) 被用作有效的镇静剂和止吐药，尤其在早期妊娠反应中使用。 不幸的是，有些服用过这种药的孕妇产下了畸形的婴儿。深入的研究表明，其致畸性是 由该药的异构体引起的。而r 异构体被认为即使在高剂量时在动物中也不引起畸变。 其他又如天然的( ) 尼古丁的毒性要比( + ) 尼古丁大得多。广泛应用于农业的手性除草 剂、杀虫剂和植物生长调节剂同样表现出强烈的生物识别作用。另外一个有趣的例子是 治疗帕金森氏病的l 多巴( d o p a ) 。真正活性成分是由l 多巴通过体内脱羧作用形成的 无手性化合物多巴胺。由于多巴胺不能穿透“血脑屏障”进入作用部位，须服用“前 药 l 多巴，在l 多巴穿透“血脑屏障”后，再经多巴脱羧酶催化脱羧而释放出多巴胺。 然而，多巴脱羧酶是具有立体专一性的，只有l 多巴发生脱羧作用，其对映体不能发生 脱羧作用而没有药理活性。 手性醇是一类在手性碳上连有羟基的旋光性化合物，具有光、热和化学稳定性，是 医药、农药、材料及其他精细化工原料的重要组成部分及重要原料【1 捌，由羰基的不对 称转化可制备一系列手性物质，它们已被广泛的用于制备各类高附加值的化学品。因此， 制备单一的对映体是近代有机合成中的一个重要课题。 由于这些原因，因此在手性溶剂、手性底物、手性催化剂等手性条件下，进行不对 称合成，获得具有高生理活性和药效的光学纯对映体化合物，对于化学、生物学以及药 学的应用和研究是很重要的。药物的不对称合成曾被誉为二十一世纪药物研究开发的重 要方向之一。 江雨大学坝十论文 1 1 不对称合成 不对称合成( a s y m m e t r i cs y n t h e s i s ) 又称手性合成，即前手性分子在手性物质或环境 的作用下，生成手性中心的或手性分子的合成反应，它分为不对称化学合成方法，不对 称生物合成方法【4 羽。 不对称合成方法是制备对映体纯化合物的主要方法之一，具有广泛而不同的含义。 简单的说，不对称合成就是采取某些方法，使反应生成的两个对映体中一个过量，甚至 全部为单一的对映体，从而避免和减少拆分过程，它是立体定向合成单一对映体、获得 手性药物最直接的方法。从绿色化学角度考虑，高效的不对称合成方法有利于节约资源， 提高原子利用率，因此不对称合成是手性技术发展的主流方向。 手性催化剂催化反应以其催化量和可循环使用的特殊优异性，被认为是有机合成领 域中最重要的突破之一【7 培】。不对称合成的目的并不单是制备光学活性化合物，而且要 达到高度的对映选择性。显然，此过程在实际中的应用是极其重要的，这就要求开发符 合一系列新标准的纯光学活性试剂，一个成功的不对称反应的标准是【9 】： ( 1 ) 高的对映体过量值； ( 2 ) 手性辅助剂易于制备并能循环使用； ( 3 ) 可以制备r 一和p 两种构型； ( 4 ) 最好是手性催化剂的合成反应。 1 1 1 不对称化学合成法 化学催化合成方法又可分为化学计量的不对称催化合成法和催化剂量的不对称催 化合成法等两种。 化学计量的不对称催化合成法：最早被称为手性助剂法即加入手性助剂诱导非手性 的前手性底物，生成手性物质后再将其解离出来，其中合适的手性助剂选择是关键。随 后发展的手性试剂法是通过改性后的手性试剂诱导的不对称催化合成。 催化剂量的手性化合物诱导的不对称催化合成法：此方法的手性实体仅为催化量 的，而且好的手性催化剂，可以起到很好的手性增殖作用。2 0 0 1 年诺贝尔奖得主的三位 专家就是由于他们在手性不对称加氢、不对称环氧化等方面的杰出工作而获奖的【1 0 以1 1 。 1 1 2 不对称生物合成方法 1 不对称生物催化的定义 不对称生物催化( a s y m m e t r i cb i o ca _ t a l y s i s ) 是指利用酶或者生物有机体( 全细胞、细胞 器、组织等) 作为催化剂进行不对称化学转化的过程，该过程又被称为生物转化 ( b i o t r a n s f o r n l a t i o n ) 。生物催化不对称催化合成中常用的有机体主要是微生物，其本质是 利用微生物细胞内的酶进行催化。 2 不对称生物催化的优势 生物催化含羰基化合物的不对称转化在不对称合成中占有很重要的地位【1 2 1 4 】，当前 有机合成化学家面临的挑战之一，就是完全从分子水平上理解一些重要的生命过程，从 2 墨二垦堡垒 而设计和制造在医药、农业和生物学上有用的分子。由于大多数药物的生理活性是因为 它们能够调节受体一配体或阵和底物之间的相互作用，所以合理的药物设计和合成就需 要对底物、抑制剂、配体和衍生物进行研究，这用经典的合成方法就难以实现。 近年来，随着学科间的相互渗透和密切结合，生物催化反应在有机化学中得到了日 益广泛的应用。生物催化是指利用酶或有机体( 细胞、细胞器) 作为催化剂实现化学转化 的过程，又称生物转化，生物催化的手性合成( c h i r a l s y n t h e s i sw i t hb i o c a t a l y s t ) 是指利用纯 酶或有机体催化潜手性化合物转变为手性产物的过程。生物催化的手性合成反应条件温 和、效率高，并具有高度的化学选择性、区域选择性以及对映体选择性，因而得到广泛 的应用。生物催化过程具有无毒、无污染和能耗低等特点，是一种环境友好的合成方法。 几乎所有的酶都是蛋白质。在体内它们催化大多数生理反应：在体外它们也能够催化 转化天然和非天然的底物。作为催化剂，酶具有下列特性【1 习： ( 1 ) 酶是非常有效的催化剂。酶通常可使其催化的反应速度提高1 0 1 0 倍，这大大超过 了化学催化剂所能达到的催化能力【l6 1 。极少量的酶就可达到明显的催化效果。 ( 2 ) 酶是环境可接受的。与重金属不同，生物催化剂是环境友好的试剂，因为其可以 被完全讲解。 ( 3 ) 酶反应条件温和。酶在大约p h5 8 的范围内发挥作用，典型的是在p h7 左右； 酶促反应温度在2 0 4 0o c 的范围内，最适温度一般在3 0o c 左右。这大大减轻了传统方法 中棘手的副反应难题。 ( 4 ) 酶是彼此相容的。因为酶一般在相同或相似的条件下作用，所以几个生物催化反 应可以在一个烧瓶中进行。因而，几个顺序进行的反应能够使用多酶系统实施，以简 化反应过程。 ( 5 ) 酶可以催化多种类型的反应。生物体内的化学反应大多数由酶所催化，酶几乎能 催化各种类型的化学反应，例如：酯、酞胺、内酯、醚、羧酸、环氧化物及腈等化合 物的水解和合成；烷烃、芳烃、醇、醛和酮、硫醚和亚矾等化合物的氧化或还原；水、 氨及氰化物等化合物的加成与消除；以及卤化与脱卤反应、烷基化与去烷基化、异构 化、偶联、醛醇缩合、m i c h a e 功口成等反应，但也发现有一些酶不能催化的反应，例如， d i e l s a l d e r 反应和c o p e 重排。另一方面，酶能催化一些化学法难以实现的反应，如有 机合成中化学方法难以对脂肪烃中的非活泼位进行选择性烃基化反应，而采用微生物 生物转化法却容易得到。 ( 6 ) 酶催化可被调节。底物、产物或其它物质都会大大影响峰酶的催化活性。自然界 提供了大量的可供不同需要的酶。酶可以从微生物、动物和植物的细胞分离获得。 不对称生物催化尽管有种种优点，在不对称领域的应用必将有着广阔的发展空间， 但是也存在一些缺点，况且目前可用于工业化应用的生物催化剂还太少、生物催化剂开 发的周期较长以及产物的对映体选择性易受影响。 3 不对称生物催化的劣势 ( 1 ) 天然的酶只能形成一种对映异构体。因为没有从d 氨基酸创造与天然的酶相对应 的酶的通用途径，通过选择生物催化剂的“其它对映体 反转给定酶促反应的手性诱导 江南大学硕士论文 作用是不可能的。 ( 2 ) 酶要求的操作参数较窄。在温和的反应条件下工作的显著优势有时会走向反面。 如果一个反应在给定的温度或p h 参数下只能缓慢的进行，则只有狭窄的改变空间。升高 温度以及极端的p h 会像高盐浓度那样导致蛋白质失活。通过降低反应温度以使选择性提 高的常用技术对酶促转化没有多少用处。 ( 3 ) 酶在水中才能表现出最高的催化活性。由于其高沸点和高蒸发热，对多数有机反 应水是最不理想的溶剂。而且，多数有机化合物在水介质中的溶解度很差。因而将酶催 化反应从水介质移至有机介质是非常理想的。但是，人们通常不得不付出的代价是损失 部分酶活力，经常是一个数量级。 ( 4 ) 酶受制于其天然辅因子。虽然酶对于接受非天然底物来说是极为可行的，但是它 们几乎都受制于其天然辅因子，这些辅因子用做氧化还原等价物的载体，如n a d ( p ) h 或 化学能( a t p ) 。这些“生物试剂 的大多数是相当不稳定的分子，并且价格昂贵，以至 于不能够以化学计量的量使用。遗憾的是，它们不能够用更经济的人工制造的替代物取 代。 ( 5 ) 酶的活性常会受到抑制。许多酶催化反应有底物或产物抑制的倾向，即在较高的 底物和或产物浓度下造成酶停止工作。这是一个限制工艺效率的因素【l7 1 。底物抑制作 用能够通过连续加料将底物浓度保持在较低的水平相对容易的解决，而产物抑制则是一 个更复杂的问题。同在反应过程中应用其它连续步骤以便将产物在原位进行化学移除一 样，用物理方法将产物逐渐移出一般也是困难的。 ( 6 ) 酶会引起过敏反应。然而，如果将酶视作化学品并同样小心地对待，这种影响会 降低到最小。 4 不对称生物催化的形式 不对称生物催化剂根据其不同的类型，可以分为分离酶、固定化酶、微生物细胞、 固定化形式使用的微生物细胞、植物组织、植物体及动物细胞等。 图1 一l生物还原羰基的模型图 f i g 1 1 t h em o d e lo fb i o r e d u c t i o no fc a f b o n y lg r o u p 用于生物转化的生物催化剂的形式可谓多种多样。决定选择酶( 分离或部分纯化) 还 是全细胞以及是否固定化，往往受反应类型、是否需要辅酶以及转化的规模决定。用分 离酶法进行反应，通常反应专一性强，只催化某一特殊的官能团的转化，副产物少，反 应后处理简单。但是，由于酶是生物大分子，通常稳定性差，容易失活；而且从生物体 4 蔓二童笙堡 一 内分离纯化某一特定的酶往往十分繁琐，代价昂贵，而且大多数酶从细胞内分离后，稳 定性显著降低。催化反应后极难回收；另外，许多酶反应还必须加入价格昂贵的辅酶， 以及将辅酶再生等。所有这些因素都不同程度上制约了酶法( 特别是需要辅酶的酶) 在 有机合成中的应用。这样，利用生物的完整细胞作为酶源直接应用于合成转化就显得非 常有益。 全细胞研究较多的是微生物类，在少数综述中提到了用植物细胞做生物催化剂 【1 8 。2 2 】，植物以其来源丰富、成本低、生成产物对映体选择性高和反应过程环境友好的优 势也成为近期研究的重点【2 豫副。 1 1 3 用植物做生物催化剂的优势及应用范围 用植物细胞作催化剂，可以有多种形式，如悬浮培养细胞和直接用植物组织( 根， 茎，叶子和果实等) 等多种方式进行催化反应。用植物作催化剂一般是用整细胞来进行 反应，多数不用进行酶的提纯，不用加入昂贵的辅酶和保持反应进行的能源。用植物作 催化剂一般是用整细胞来进行反应，具有全细胞反应的优点，即多数不用进行酶的提纯， 不用加入昂贵的辅酶和保持反应进行的能源等。但是因为细胞中含有多种立体选择性的 酶，且都可能参与反应，可能会生成不必要的对映体产物，这种情况可通过添加特殊酶 的抑制剂等方法来提高整细胞催化反应的立体选择性。 用植物细胞中的酶做生物催化剂用于不对称还原反应起源于酶类反应的巨大生物 技术的潜能。植物的生物催化转化可应用于植物调解有机污染【2 6 彩】，酮类的生物还原 【3 0 。3 7 1 ，内酯化【3 8 】，酯类的水解反应【3 9 4 3 1 ，醛类的羟腈加成反应【4 4 4 9 1 ，羟基化反应和氧化 反应【5 0 1 ，不饱和羰基化合物的转化 5 1 。5 4 】，催化仅酮酸酯和伊酮酸酯的不对称还原等【5 5 舯】。 植物细胞用于催化酮类化合物的不对称还原以生成相应的手性醇是植物细胞应用 于生物催化中研究最早也是研究的最多的一类反应。目前，研究的底物范围越来越广， 作为催化剂的植物的种类也在不断增加。 1 2 植物催化还原酮类化合物的国内外研究进展 1 2 1 用植物不对称催化芳基酮类的反应 a n d r a d el h 等1 5 8 j 用细香葱口刀f 姗j c 办d p ，2 d p ，傩甜聊) 、胡荽( c d 厂而册咖甜，zs 口巧v 甜聊) 等1 0 余种植物的茎作催化剂还原苯乙酮的衍生物，见图1 2 中1 a 一5 a 所示，研究发现这些植物 的茎组织细胞对苯环对位有取代基的苯乙酮衍生物的转化效果都很好，生成的相应的尽 醇依次为1 b 一5 b ，其对映体过量( e n a n t i o m e r i ce x c e s s ，简写为e p ) 值较高，但是转化率 相对较低，例如，用细香葱作生物催化剂时，4 甲基苯乙酮( 3 a ) 的转化率仅为1 ，而产 物1 对甲苯基乙醇( 3 b ) 的p p 值大于9 8 ，实验还发现反应时间对底物转化率和产物p p 值 及产物构型也有一定的影响，如用萝卜但印五口胛础s 口疗v 淞) 还原苯乙酮，当反应时间为3 天时，苯乙酮的转化率为1 0 ，生成的娶1 苯基乙醇的p p 值为1 5 ，而当反应时间为6 天 时，苯乙酮的转化率为4 ，生成的则是r 1 苯基乙醇，p p 值为7 9 。反应时间对产物构 型的影响正在研究中。 江南人学f f 贝士论文 c o m a s s e t oj v 等1 5 9 l 使用胡萝卜作为催化剂不对称还原一系列含有机硫或硒的苯乙 酮衍生物来合成含有机硫或硒a 苯乙醇时，生成相应娶醇的p p 值都大于9 9 ，除了邻位 取代的底物外，转化率均在7 2 9 7 之间，反应过程如图1 2 中6 a 一1 4 a 所示，从结果可知， 由于空间位阻作用，邻位取代苯乙酮衍生物6 a 、9 a 不发生反应，1 2 a 的转化率仅为8 ， 这同样表明取代基的空间效应起了主要作用。 m i r o n o w i c z a 等【6 0 】在用胡萝卜和西洋芹菜( 么p f “聊g 阳v e d 跆瑚) 的茎进行不对称还 原溴代和甲氧基取代的苯乙酮衍生物时，问甲氧基苯乙酮和邻溴苯乙酮生成的产物孓醇 的e p 值是最高的( p 窿9 8 ) ，实验发现生成产物的对映选择性主要取决于苯环上取代 基的位置，取代基本身的影响不是很大。 d d u c u sc n r o t n o h l a 1 4al b 1 4b 1a ：r 印一h 2 a ：r 7 一b r3 a ：r 7 一c h 34 a ：r 印- n 0 25 a ：r 7 一s e m e 6 a ：r = d m e s e 7 a ：r = 聊一m e s e 8 a ：r = 一m e s e 9 a ：r = d p h s e 10 a ：r = 所一p h s e1 1a ：r = 一p h s e12 a ：r = d m e s 1 3 a ：r - - 聊一m e s 1 4 a ：r 2 p m e 图1 2 生物还原苯乙酮的衍生物 f i g 1 2 b i o i e d u c t i o no fa c e t o p h e n o n ed e r i v a t i v e s s c 唧id 等【6 1 】用胡萝卜( d 口“c “sc 伽砌) 在水中还原芳香性丫硝基酮1 5 a 一2 1 a ， 反应见图1 3 所示。除了酮1 6 a 、1 8 a 、1 9 a 不能被还原外，其余酮均可被还原生成相应 的主要为s 构型的硝基醇，产率5 3 1 0 0 ，p p 值为5 3 l o o 。在相同条件下，他们研 究发现，胡萝卜比面包酵母( b a l ( e r sy e a s t ) 更具有对映选择性，但用胡萝卜作催化剂 时受底物类型的影响较大，甲氧基在芳环的邻对位时，底物不能被还原，而当对位是氯 原子取代的y 硝基芳香酮时，则很容易得到相应的孓醇( 产率7 3 ，p p9 4 ) 。 oo h n 0 2 r r 1 5 a 一2 1 a 1 5 b 一2 1 b 15 a ：r i h16 a ：r = d o m e17 a ：r _ ，”- o m el8 a ：r = p o m e19 a ：r = d - b r 2 0 a ：r = 册- n 0 2 21a ： r 2 p - c l 图1 3 用胡萝卜对映选择性还原y 硝基酮 f i g 1 3 e n a n t i o s e l e c t i v er e d u c t i o no f l ，- n i t r o k e t o n e su s i n gd c 日，d 幻 y a d a vj s 等【叫在后来的研究中用胡萝卜和面包酵母还原四氢萘酮衍生物( 2 2 a 一2 4 a ) 和5 一甲基一2 异丙基环己酮( 2 5 a ) 时同样发现在相同条件下，胡萝卜比面包酵母具有更好 的不对称还原性，反应过程如图1 4 所示。m a c a z k aw k 等【6 3 1 发现用胡萝卜作还原剂时， 2 萘基乙酮被完全还原，生成相应的s 醇p p 值和产率都高达1 0 0 ，而1 萘基乙酮则不能 被还原，这说明了胡萝卜对底物的类型有一定的选择性。 y a d a vj s 等【删在水相介质中用胡萝卜首次在温和且对环境友好的条件下，由叠氮 6 箜二童笙堡 酮出发催化合成r 2 一叠氮一1 芳基乙醇，反应如图1 5 所示，底物的转化率较高，产物也具 有高对映选择性( r = m e ，产率9 2 ，p p9 9 ；r 亍t b d m s ， 产率8 5 ，p p1 0 0 ) ，结果 均比使用面包酵母还原要好。 r 1 2 2 a 1 4 a r 1 2 2 b 一2 4 b h 文h r o n 3 z ) 口“c z 蜉c 口，d 以 - r o n 3 2 6 a 2 7 a2 6 b 2 7 b 2 6 a ：r = m e2 7 a ：r = t b d m s 图1 5 胡萝卜作催化剂不对称还原叠氮酮 f i g 1 - 5a s y m m e t r i cr e d u c t i o no fa z i d ok e t o n e sb yc a t a l y s i sd c a 加幻 1 2 2 用植物不对称催化其它酮类的反应 b a l d a s s a r r ef 等1 6 5 j 用胡萝卜还原( 士) 2 甲基环己酮( 2 8 a ) 时，反应4 8 h 后转化率达 1 0 0 ，生成的混合物中( 1 s 2 r ) 2 甲基环己醇( 2 8 b ) 和( 1 s 2 矽2 甲基环己醇( 2 6 c ) 的比值 为1 ：1 ，p p 值均大于9 9 。用同样的方法还原( 士) 一2 一羟基环己酮( 2 9 a ) 时，转化率也达到 1 0 0 ，生成的( 1 s 2 彤- 1 ，2 一环己二醇( 2 9 b ) 与( 1 s 2 $ 一1 ，2 - 环己二醇( 2 9 c ) 的比值为1 ：2 ，e p 值 也都大于9 5 ，如图1 6 所示。如果有吸电子基如羟基靠近羰基，烯醇化过程可引起底物 对映体之间的相互转化，因此，参加还原反应的植物胞内酶对底物的对映选择性决定了 产物中非对映异构体的比值，这解释了后者( 1 s 2 印一产物的增加。u t s u k i h a r at 等1 6 6 】后来 用胡萝卜、马铃薯，苹果和黄瓜等还原( 土) 2 甲基坏己酮时所得到了与之相近的结果， 其中用胡萝卜作还原剂时，得到的产物中( 1 s 2 r ) 一2 甲基环己醇：( 1 s 2 固2 甲基环己醇为 4 8 ：5 2 ，p p 值均为1 0 0 ，同时，他们还发现在用上述植物果实还原1 ，2 环己二酮时可高选 择的生成反式一l ，2 一环己二醇，并没有生成羟基酮。 7 江南大学硕： ：论文 n o hk 等6 7 1 发现可以用植物锦鸡儿( c 口阳鹳，2 口c 向口聊，恻) 花的细胞催化3 乙酰基异 噫唑衍生物3 0 a 一3 6 a ，如图1 7 所示，反应取得了中等程度的产率( 4 1 8 8 ) ，得到相 应母醇的对映体过量值较高( p p2 9 5 ) 。 o r 竺3 r + o h = r 2 8 a 一2 9 a 2 8 b 一2 9 b2 8 c 一2 9 c 2 8 a ：r = c h 3 2 9 a ：r = o h 图1 6 生物还原( 士) - 2 一甲基环己酮和( 士) - 2 - 羟基环己酮 f i g 1 - 6b i o r e d u “o no f ( 士) 一2 一m e t h y l c y c l o h e x a n o n ea n d ( 士) 一2 - h y d r o x y c y c l o h e x a n o n e n o o c n r n g n n dc h d m t n g t l r _ i 卜 n o o h 3 0 a 一3 6 a3 0 b 一3 6 b 3 0 a ：r = 即一c 3 h 7 31a ：r = 玎一c 4 h 9 3 2 a ：r = w c 5 h l o3 3 a ：r = 讲一c 6 h 1 3 3 4 a ：r - p h 3 5 a ：r h 2 b r3 6 a ：r _ c h 2 c l 图1 7 用锦鸡儿还原3 乙酰基异嗯唑衍生物 f i g 1 7r e d u c t i o no f3 - a c e t ) ，l i s o x a z o l e sw i ma 矶踞鲫口c 办口m 玩弘 r c h a iw 等8 j 曾报道过用长春花( f 办口，口胛砌甜s 加s p “j ) 和烟草( f c d f f d 胛口砌6 a c “聊) 的悬 浮培养细胞将( + ) 樟脑醌进行生物转化，主要都生成3 娶( ) - 夕卜羟基樟脑，两种植物细胞 转化( + ) 樟脑醌的产率分别为6 6 和5 7 ，而( ) 樟脑醌被烟草的悬浮培养细胞催化主要 生成2 孓( + ) - 夕 、羟基表樟脑，产率为4 9 。用长春花做生物催化剂时，则( ) 樟脑醌主要 生成( + ) 2 月内羟基表樟脑，产率为4 1 。 b n m ir 等【6 9 】用芸苔( 曰，觚，f c 口d 彪m c p 口6 d 圳括) 、葫芦( c “c “r 6 f 幻聊饿f 聊口) 、胡萝卜 等植物细胞作催化剂在水相中还原5 己烯2 酮( 3 7 a ) 、6 甲基5 庚烯2 酮( 3 8 a ) 及2 甲基 环己酮( 3 9 a ) 时也取得了不错的结果，生成的手性醇分别为3 7 b 、3 8 b 、3 9 b 、3 9 c ，结果见 表1 1 。从表中数据发现，用胡萝卜作生物催化剂时，几种底物的转化率均是最高的， 而产物的p p 值则因不同的植物细胞有一定的差异。由此可见，不同的植物细胞对相同 的底物有不同的对映选择性。 虽然人们通过研究已经发现，利用植物细胞催化立体选择性转化酮类化合物能够得 到较高光学纯度和产率的手性醇，但反应条件还需进一步的优化，而且具体在反应过 程中是一种氧化还原酶催化转化还是醇脱氢酶与羰基还原酶耦联催化转化以及酶在转 化过程中的催化机理尚不十分清楚。另外，用于立体选择性转化手性醇的植物催化剂 仍比较缺乏，植物催化的反应规模也尚未达到工业化应用的要求。因此，在理论研究 和应用研究方面都需要对植物细胞立体选择性转化手性醇进行更加深入的研究。 第一章绪论 表1 1 用不同的植物细胞还原脂肪酮类 t a b l e1 1r e d u c t i o no f k e t o n e sw i t hd i f r e r e n td l a n tc e l l s k e t o n eb i o c a t a l v s tt i m e d a vp r o d u c t y i e l d p p 慌 3 7 ad 口甜c 螂c 甜d 纽41 0 06 0 3 7 ac “c “r 6 f f 口胁x 扫”口4 石芦、一一， 、：5 97 7 3 7 a f d p 疗记“，珊z1 ，“次日陀 4 6 h 5 41 1 3 7 a口s 鲫耙”f z 打6 孓3 7 b 3 58 0 3 1a b r a s s i c no l e r n c e nb 0 臼y t i s 6 3 7 a c “c “，6 力口p 哆p d 4 3 8 ad 口粥淞c 舢胁 3 8 a f o e n i c t l t 姗w l g 口r e 3 8 ac 甜c z 6 妇m 似切搬 38 a c ”c “r 6 f f 口p 哆p d 3 8 a 朋讼口s 印招胛f 聊z 3 8 ab r a s s i c no t e r c i c e nb o t 哆t i s6 3 9 ab r a s s i c q0 t e r n c e nb o 幻，| i s 3 9 ad 口w 淞c 口阳细 3 9 ac 甜c 柳6