（应用化学专业论文）辅酶Qlt10gt的合成研究(2).pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 辅酶q o 是一种具有药用价值和保健作用的化合物，是当今医学领域最有效的抗氧 化物之一，广泛运用于心血管类疾病、肝炎、癌症等综合治疗及提高人体免疫力，目前 世界上只有e t 本等极少数几个国家具备规模合成能力。本文对辅酶q o 的合成进行了研 究。 合成分为三个部分，第一部分是辅酶q l o 母核化合物的合成，即( 2 日一1 ( 3 甲基一4 苯 磺酰基一2 - 丁烯基) - 6 一甲基一2 ，3 ，4 一三甲氧基苯的合成。以3 , 4 ，5 一三甲氧基甲苯为原料，溴代 得到2 一溴一3 ，4 ，5 - 三甲氧基甲苯，然后制成格氏试剂，与1 苯磺酰基一2 甲基4 一溴一2 一丁烯 在溴化亚铜的催化作用下，偶联得到全反式的产物，收率9 0 4 。此化合物是一个新的 化合物，而且首次用来作为合成辅酶q 1 0 的中间体。而1 苯磺酰基- 2 一甲基4 溴一2 一丁烯 的合成是通过异戊二烯和苯亚磺酰溴的加成得到的，收率高达8 8 2 ，比文献的4 0 提 高了一倍多，而且得到的是全反式产物。在制备这个化合物的过程中，发现产物中有一 个区域异构体的产物，因此，对此化合物的反应机理进行了研究。 第二个部分是侧链茄尼溴的合成，用三溴化磷溴代纯度为9 0 的茄尼醇，收率为 9 0 7 。 第三个部分是母核和侧链的偶联，将母核化合物和侧链偶联，然后利用甲醇钠脱 掉苯磺酰基保护基，最后用一种新型的氧化剂硝酸铈铵( c a l 呵将其氧化即得辅酶q m 论文找到了一条低成本合成辅酶q w 的路线，在此路线的基础上，本实验组又将母 核起始原料改为2 ，3 ，4 ，5 四甲氧基甲苯，通过相同的方法，设计出了另外一条合成路 线，旨在提高最后一步氧化的收率。 关键词：辅酶q 1 0 ；3 4 ，5 - - - 甲氧基甲苯；茄尼醇；合成；2 3 。4 5 - i 1 甲氧基甲苯 辅酶q o 的合成研究 r e s e a r c ho nt h e s y n t h e s i so fc o e n z y m eq 1 0 ，u b i q u i n o n e a b s t r a c t c o e n z y m eq l o ，u b i q u i n o n e ( c o q l 0 ) i sac o m p o u n du s e da sm e d i c i n ea n dh e a l t h c a r e p r o d u c t a s o n eo ft h em o s te f f e c t i v ea n t i - o x i d a t i o np r o d u c t , c o e n z y m eq 1 0i sw i d e l yu e s di n t h ec u r eo fc a r d i o v a s c u l a r d i s e a s e ，h e p a t i t i s ，c a n c e r e t ca n di nt h e i m p r o v e m e n t o f i m m u n o t h e m p y b yn o w , t h e r e a r e o n l ys e v e r a lc o u n t r i e st h a th a v e t h ec a p a b i l i t yt op r o d u c ei n s c a l el i k ej a p a n i nt h ep a p e r , t h ea u t h e rd i ds o m er e s e a r c ho ns y n t h e s i sq i o t h e r ea r et h r e ep a r t si nt h es y n t h e s i so fq 1 0 t h ef i r s tp a r ti st h es y n t h e i so f m a t r i x ，t h a ti s ( 2 e ) 一1 一( 3 一m e t h y l - 4 - p h e n y l s u l f o n y l b u t - 2 - e n y l ) - 6 - m e t h y l 一2 ，3 ，4 - t r i m e t h o x y l b e n z e n e 3 , 4 ，5 一 t r i m e t h o x y t o l u e n ew a sb r o m i n a t e dt og i v e2 - b r o m o 一3 ，4 ，5 - 1 f i m e t h o x y t o l u e n e ，t h e nr e a c t e d 晰t 1 1 m g ，f o l l o w e db y r e a c t i o n w i t h ( e m h a l o g e n o 一2 - m e t h y l - p h e n y l s u l f o n y l 一2 - b u t e n e t o g i v e c o m p o u n d ( 均一1 一o - m e t h y l 4 一p h e n y l s u l f o n y l b u t - 2 一e n y l ) 一6 - m e t h y l - 2 ，3 , 4 一t r i m e t h o x y l b e n z e n e t h e y i e l di s9 0 4 a sa n e w c o m p o u n d ，i tw a s u s e da sa ni n t e r m e d i a t eo f c o e r m y m eq 1 0 ( 日- 4 - h a l o g e n o - 2 - - m e t h y l - p h e n y l s u l f o n y l - 2 - b u t e n e i s s y n t h e s i z e db yi s o p r e n e a d d i t i o nw i t h p h e n y l s u l f o n y lb r o m i d e , t h ey i e l di si m p r o v e d f r o m4 0 t o8 8 2 b yc o m p a r i s o nw i t ho r i g i n a l l i t e r a t u r e w ef i n da r e g i o ni s o m e r i nt h i sr e a c t i o n , a n dt h e nw er e s e a r c ht h em a c h n i s mo f t h i s r e a c t i o n ， t h es e c o n d p a r ti st h es y n t h e s i so fs o l a n e s y lb r o m i d e ，i t i so b t a i n e db yb r o m i d es o n a n e s o l 谢m p b r 3 t h ey i e l di s9 0 7 t h et h i r dp a r ti sc r o s s - c o u p l i n gr e a c t i o n c o u p l i n gr e a c t i o no ft h em a t r i xm a ds o l a n e s y l b r o m i d ea n dt h e nr e d u c t i v ee l i m i n a t i o no ft h es u t f o n eg r o u pb ys o d i u m - e t h y la l c o h o l ，a n d f o l l o w e db yc a no x i d a t i o na f f o r d e dc o q l o t h e p a p e rf o u n d al o w - c o s tr o u t i n et os y n t h e s i z eq 1 0 b a s e do ni t ，w ec h a n g e dt h eo r i g i n a l m a t e r i a lt o2 , 3 ，4 ，5 一t e t r a r n e t h o x y l t o l u e n ei nt h eh o p eo f i m p r o v i n gt h er a t eo f t h el a s to x i d a t i o n k e yw o r d s c o e n z y m eq 1 0 ，u b i q u i n i o n e ，3 , 4 ，5 - t r i m e t h o x y t o l u e n e ，s y n t h e i s i s ，s o l a n e s o l ， 2 ，3 ，4 5 t e t r a m e t h o x y t o l u e n e 一i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 作者签名：釜匿区：日期：6 , 0 9 大连理工大学硕士学位论文 引言 辅酶q 】o ( c o e n z y r a eq 1 0 商品名为u b i d e c a r e n o n e ，n e u q u i n o n e ) 是存在于动物、 植物、微生物等细胞体内的泛醌类化合物。它是细胞自身产生的天然抗氧化剂，也是细 胞代谢的激活剂，临床上已作为一种重要的生化药物而广泛用于心血管疾病的治疗，而 最近又发现其对肿瘤和艾滋病有显著辅助疗效。此外，作为一种抗氧化剂辅酶q - o 在化 妆品也有很好的应用前景。因此开发辅酶q - o 产品具有很好的市场前景。然而，该产品 目前在我国的产量很小，市场需求量缺口较大。 据有关部门统计，由于近几年美国国内形成了天然保健品热，该产品在美国的年销 量达到3 0 吨以上，市场增长率为1 5 2 0 。1 9 9 7 年辅酶q 1 0 的全球销售额为3 2 亿 美元，美国约占其中的一半。含辅酶q o 的营养保健品与其它的天然保健品一样，可在 美国的超市、食品连锁店和药店里自由出售，无需医生处方。而在日本，辅酶q o 已成 为上市药品。2 0 0 1 年，消耗辅酶q l o 最多( 地区) 分别为美国、日本、西欧与澳大利亚， 由于它具有较好的药用和保健功能，目前在国际市场上供不应求。 辅酶q l o 的制备有动植物组织提取法、微生物发酵法和合学合成法等。提取法的生 产成本较高，原料也不易得到；发酵法中提高发酵单位、改进后期的提取及纯化等问题 尚未得到很好的解决；合成法中受原料来源限制和结构复杂的挑战，目前尚未实现工业 化吼 我国从2 0 世纪7 0 年代就开始进行辅酶q l o 的技术研究，目前国内普遍采用生物提 取法，但这种方法受规模和成本的限制，有被淘汰的趋势。近年来，以茄尼醇的为原料 的半合成法是人们研究的重点，但是这个方法在国内还不成熟，还没有实现工业化生 产。因此，在我国加快开发生产这种市场前景极好的产品已成为当务之急。 辅酶o 】o 的合成研究 1 文献综述 本世纪二十年代后期，著名的生物学家h i l l 发现一个十分重要的现象，即应用分离 出的叶绿粒和一种电子供体作用，能够进行光化学反应，释放出氧气，这就是光合作用 的一部分。在四十年代，k o f l e r 1 等人从紫草花籽中分离出一种黄色结晶醌类化合物。 1 9 5 5 年，f e s t e n s t e i n 1 等人在用紫外光谱研究缺乏维生素a 的大白鼠的内脏组织提取物 时，意外地在2 7 2r l l t l 处发现了一个强吸收峰，表明可能存在一种未知的新物质。随 后，m o r t o n 2 等人在研究酵母的黄色油状提取物观察到同样的现象，并开始了分离、提 纯、和结构测定的研究工作。与此同时，c r a n e 3 等人在牛心的线粒体中分离出一种黄 色结晶，这种结晶体在紫外光谱的2 7 5n n l 处也有一个强吸收峰。经过他们的共同努 力，终于在1 9 5 8 年确定了这个化合物的分子结构是：2 ，3 一二甲氧基一甲基一6 ( 异戊烯基) 1 0 一 l ，4 苯醌。结构如下： o h 3 h 3 h 并且证明了这种新化合物在线粒体呼吸链的电子迁移过程中所起的重要作用。 m o r o n 等人根据这个新化合物的结构特点和来源，把它命名为泛醌( u b i q u h a o n e ) ：而 c r a n e 等人则根据他的生物化学性质，把它命名为辅酶q ( c o e n z y m eq ) 。现在这两个名 字同时使用 3 。 辅酶q 。( 泛醌) 的发现，是生物化学研究史上的一个重要结果。由于辅酶q 与动物 体中的呼吸链，高等植物的光合作用有着密切的关系，故引起了生物化学、有机化学、 植物学、病理学和营养学等方面的广泛兴趣。目前，许多国家都在深入研究。 1 1 辅酶q 。o 的物理、化学陛质及其生理功能 1 1 1 辅酶q 1 0 的物理化学性质 4 辅酶q i o 是一种酮类化合物，在室温下呈橙黄色结晶物，其熔点是4 9 c ? ，它无臭无 味。因具有长的类异戊二烯侧链，因此易溶于氯仿、苯、四氯化碳，溶于丙酮、石油醚 及乙醚，微溶于乙醇，不溶于水和甲醇。在光照下易分解成微红色，对温度和湿度较稳 定。 大连理工大学硕士学位论文 醌分子中虽然存在碳碳双键与碳氢双键间的m 7 【共轭体系，但x 射线分析证明，酮 环不是芳香烃，不属于芳香族化合物，它具有典型的烯烃和羰基化合物的反应性能，可 以进行多种形式的加成反应和氧化还原反应。 1 1 2 辅酶q l o 的生理功能 辅酶q l o 的活性形式是与蛋白质结合而存在 5 。它可分为三类：( 1 ) q p s ：可将琥 珀酸转变为琥珀酰辅酶q l o 的降解物：( 2 ) q p c ：参与细胞色素b c l 复合物的电子转 移；( 3 ) q p n ：包含在n a d h q 降解产物中。 辅酶q l o 在人心脏、肝脏、胰腺中含量较高人体内总含量为0 5 1 5 9 在细胞内的分 布为：细胞核内占2 5 一3 0 ，线粒体内占4 0 一5 0 ，微粒体内占1 5 一2 0 ，细胞质 内占5 一1 0 。辅酶q l o 是组织细胞内具有重要作用的活性酶，在细胞线粒体呼吸链 即电子传递系统中起递氢体作用。它还是细胞代谢和细胞呼吸的激活剂，具有天然 的抗自由基的能力，并能增加人体非特异性免疫功能。在组织细胞缺氧状态下细胞 内辅酶qj o 的含量往往下降，辅酶q l o 的减少还可干扰电子传递和氧化磷酸化过程， 只是心肌能量代谢产生障碍。补充外源性辅酶q 1 0 能促进缺血心肌的氧化磷酸化，在 缺氧条件下提高氧利用率，从而提高细胞t 为a t p 的产生效率，改善缺血状态下心肌 细胞的能量代谢及其功能 6 】。主要有下列作用 7 8 】： ( 1 ) 抗冠心病作用，可防止急性缺血时的心肌收缩力减弱，磷酸肌酸与三磷酸腺 苷含量减少，能保持缺血心肌细胞线粒体的形态结构，同时使实验性心肌梗死范围 缩小，对缺血心肌有一定保护作用。 ( 2 ) 增加心输出量，降低外周阻力，具有抗心衰作用，还能抑制醛固酮的合成与 分泌及阻断对肾小管的效应。 ( 3 ) 抗心律失常作用，在缺氧条件下灌入离体心室肌时，可使动作电位持续时间 缩短，电刺激测定其产生室性心律失常闽值较对照组少。冠状动脉开放后，阈值恢 复亦较快。 ( 4 ) 降压作用，使外周血管阻力下降，并有抗醛固酮作用。此外，还有抗阿霉素的的 心脏毒性作用及保肝等作用，本品可作为充血性心力衰竭、冠心病、高血压、心律不齐 的辅助治疗药物。此外已试用与原发性和继发行全固酮增多症、颈部外伤后遗症、脑血 管障碍、出血性休克及肝炎等。 辅酶o o 的合成研究 1 2 辅酶q - o 的应用 辅酶q t o 在动物、植物、微生物的生化过程中起重要的作用，它在细胞内与线粒体 内膜结合，是呼吸链中重要的递氢体，是细胞自身产生的天然抗氧化剂，细胞代谢的激 活剂，能够提高有机体的免疫力 9 】。 l - 2 i 作为心血管疾病的辅助药物 在临床上，辅酶q i o 有着较广泛的作用 1 0 1 3 。国际上已有日本、美国、意大利及 瑞士等许多国家对辅酶q t o 在心脏治疗中的租用开展了大量的研究，并一致提出了其安 全、有效性的结论。充血性心力衰弱( c h f ) 病人心肌内的辅酶q l o 含量要低于正常人群 的3 3 ，对这类病人给与辅酶q 1 0 治疗，三分之二的病人心脏功能得到明显改善，对于 心脏疾病外科手术治疗后的病人，服用辅酶q 。o 能大大缩短康复时间：与此同时，辅酶 q ，o 还能降低血液粘度，缓解心脏病人局部缺血性疾病，提高心肌收缩力，增强心脏血 的输出量。临床使用还表明，对心血管类病人使用辅酶q 1 0 ，能延缓心衰的发展，降低 病死率，延长病人寿命、提高患者的生命质量。 1 。2 2 抗肿瘤作用及提高免疫作用 研究表明辅酶q l o 可保护组织免受缺血性损伤，在体内能抑制自由基的产生并有一 定的清除自由基的作用，从丽使细胞膜避免自由基的侵蚀而保持稳定状态。动物实验显 示，口服辅酶q 1 0 的老鼠白细胞的数量及胸腺活力显著提高。l o o l c v v o o d 1 4 等人报道， 乳房癌、前列腺癌、胰腺癌和结肠癌等患者及爱滋病人体内辅酶q l o 的浓度与正常人相 比则含量较低，经给予病人以9 0m g d 剂量的辅酶q l o ，并结合一定剂量的抗氧化剂如 d 一胡萝卜素、硒、不饱和脂肪酸等一起服用治疗一年后，病人均未发生肿瘤转移现象， 其中6 例患者的肿瘤发生部分消退。日本、美国目前已将辅酶q 1 0 作为一种非特异性免 疫增强剂，用于癌症患者的综合治疗，以减轻放、化疗引起的副反应。我国也有此类保 健品研制的报道。 1 2 | 3 抗皮肤皱纹和延缓皮肤衰老 辅酶qj o 是一种抗氧化剂，目前被较多地应用化妆品中，用于清除氧自由基，延缓 皮肤衰老。s h i n d o 等人【1 5 - 1 7 1 比较辅酶q o 在表皮和真皮中的分布和浓度，发现前者浓度 是后者的近2 倍，表皮的抗氧化能力远远大于真皮。研究表明，人体在2 5 岁后皮肤内 辅酶q 0 的含量开始下降，因而细胞的能量和防护功能也随之降低；与叶氨基酸和维生 大连理工大学硕士学位论文 素a 的促进角质层细胞脱落的作用不同，辅酶q ，0 的作用是增强皮肤基底层细胞的功 能，激发细胞的能量，从而消除因老化、缺少营养、光照以及疾病等所带来的皮肤紧张 压力，因此恢复表皮细胞中辅酶q l o 的量会使得皮肤获得抗皱效能。由b e i e r s d o r f 公司 推出的n i v 嘣妮维雅) q 1 0 面霜就采用了s p f 4 、维生素a 、维生素e 和辅酶q l o ，这对皮 肤保湿、增强其弹性及减少其皱纹有良好的效果。 1 2 4 其他用途 辅酶q i o 作为一种生化药物使用几经3 0 多年了。2 0 世纪9 0 年代中期，国外市场出 现了含有添加辅酶q , o 成分的保健食品，由于其使用的安全性已经得到普遍认可，辅酶 q 】o 的用途也逐渐广泛，其产品类别也愈来愈多。如辅酶q 1 0 用于牙膏配方中，有预防 牙病和牙根炎等作用；人体补充辅酶q 】o 能够改善肌肉营养状况，并起到解除疲劳、提 高运动能力的效果，并可用于功能性饮料的生产中；在临床上，辅酶q 1 0 的用途也逐渐 拓展，如用于心绞痛、心肌衰竭、急性脑梗塞、流行性乙型脑炎、慢性阻塞性肺病以及 作为外用药用于褥疮的治疗等。辅酶q l o 对艾滋有一定的疗效，国外从1 9 9 5 年就开始 了二期临床试验。美国加州大学圣地哥医学会分校经过三年对8 0 多例患者的研究，认 为有许多证据表明辅酶q 1 0 能延迟帕金森早期患者的脑细胞衰老【18 - 2 0 。 1 3 辅酶q 1 0 的生产方法 辅酶q ，0 的生产主要有三种方式：动植物组织提取法、化学合成法、生物发酵法。 其中合成法又被分为全合成法和半合成法。由于全合成法路线很长，目前研究的基本都 属于半合成法。发酵法也包括直接微生物发酵法和前体微生物生物转化法。此外，近年 来也有利用植物细胞悬浮培养的研究报道。 1 - 3 1 提取法 2 2 1 自1 9 5 7 年c r a n e 等从牛心肌线粒体脂质中分离出辅酶q l o 以来的很氏一段时间，提 取法是实际应用最多的方式，我国目前的辅酶q l o 基本是采用该提取法获得的 2 1 。其 原料一般采用动物内脏( 常用的是猪心) ，主体工艺路线如下： 原料一均质、皂化溶剂萃取过滤、浓缩吸附、洗脱一浓缩结 晶干燥一辅酶q m 。 一般采用碱性乙醇进行皂化，采用石油醚等溶剂进行萃取，减压浓缩，并用硅胶等 柱层析进行分离，最后在乙醇中低温进行结晶。上述工艺能够从每公斤猪心中提取到 辅酶q l o 的合成研究 5 0 , - 7 0 n a g 辅酶q l o 。此法工艺简单，是经典的提取辅酶q 1 0 的方法，但在其生产中需要 使用大量的溶剂，具有原料成本高、处理量大，能耗较高、会造成一定的环境污染、综 合成本较高等缺点。我国很多生化药厂依旧沿袭这种工艺进行辅酶q t o 的生产，尽管在 生产中也部分改进了提取工艺，如采用碱水替代碱性乙醇进行皂化、使用复合溶剂提 取，或不经皂化提取，但从技术发胀、市场需求的趋势来看，特别是辅酶o ，o 的应用渠 道不断拓宽使市场需求持续增长的状况来看，该提取法是不能满足需要的，因而该生产 方式将逐渐被大规模的合成法或发酵法所替代。 1 3 2 微生物发酵法 2 3 1 部分好氧微生物细胞内辅酶q 。的含量较动植物组织中高，如脱氢假单胞菌 ( p s e n d o m o n e s d e n i t r i f i c a n s ) 细胞内辅酶q l o 的浓度就达到1 2 0 0r l m o 垤，热带假丝酵母 ( c a n d i d at r o p i c a l i s ) 培养液中含有5 ，9 7m g ，l 辅酶q i o ，土壤杆菌( r h o d o s p i n l l u mr u b r u m ) 每 克干菌体内含量就高达5 4 毫克。2 0 世纪7 0 年代初期，就在化学合成法徘徊不前之 际，人们想到了利用微生物培养获取辅酶q 。o 的方法，现在已发现了很多的菌株，主要 集中在红假单胞菌属、假丝酵母属、副球菌属、土壤秆菌属中。目前生物法主要有如下 手段：菌体提取法，即培养高细胞含量的菌株，可采用高密度菌体培养、连续培养等细 胞培养方式，通过采用与组织提取法类似的工艺进行辅酶q i o 的提取、精制。中科院微 生物所在微生物提取辅酶q t o 方面也取得了一定的成绩。发酵液提取法，通过菌种筛 选、诱变等方式获得高产菌株，产物胞外分泌较多，提取工作主要集中在对发酵液的处 理上。近年来，我国一些高校如江南大学生物工程学院在辅酶q 1 0 生产菌株的代谢控制 育种及发酵优化方面做了一些工作。前体添加发酵法，通过向培养基中添加一些前体物 质，利用微生物所特有的酶系特有的酶系和特殊的代谢方式，促进辅酶q l o 的生物转 化。添加对羟基苯甲酸、异戊基乙醇、二甲丙烯乙醇、牛儿醇等物质，能够显著地提高 发酵产率。此外，日本还报道了胆碱、甜菜碱、l 一半胱氨酸也具有类似的效果。前体添 加法是目前研究较多，也是最具产业化前景的技术之一，日本在该技术领域无疑处于领 先地位。基因工程菌发酵，利用分子生物学技术获得辅酶q - o 生产菌株的关键酶基因 ( 2 ，3 一- - 7 氧基5 一甲基一6 一癸异戊烯基苯醌合成酶基因) ，通过重组d n a 技术构建高表 达菌株应用于发酵生产。目前已在大肠杆菌、光和细菌中实现了q 1 0 的合成。日本一些 公司还对土壤杆菌进行了基因定位突变处理，提高了辅酶q l o 产量。 微生物发酵法的生产强度受菌体浓度、菌体内产物含量、胞外分泌能力、发酵时间 等因素影响。国内外报道的菌体浓度较高的为5 0 班( 干菌体) ，发酵液中辅酶q l o 含量 大连理工大学硕士学位论文 为5 0 1 0 0m g l ，而重组菌据报道最高可达3 0 0r i 吼。日本是研究和开发利用发酵法生 产辅酶q i o 的先驱，早在1 9 7 7 年即首次实现工业化。 1 3 3 植物细胞培养法 2 4 1 利用植物细胞培养技术生产植物天然物质成为当今生物技术的一个热门课题之， 已有1 0 0 多种天然物质用植物细胞培养技术制各。利用烟草细胞培养技术制备辅酶q l o 亦是近年来植物细胞培养技术发胀的产物之一。i k e d a 等【2 5 1 首次从烟草组培细胞获得辅 酶q l o 结晶，随后又对辅酶q o 形成的理化条件进行了研究。我国的华南农大业开展了 该方面的研究，不同品系的烟草中筛选出黄花大金元品种，其细胞悬浮培养最高达1 8 9 u g g ( 干细胞) 。利用细胞培养方式研究植物细胞的物质代谢是一项重要的研究手段，其 理论突破和创新将对生物法生产辅酶q o 具有重要的意义。 1 3 4 化学合成法 随着从废次烟叶中提取分离茄尼醇技术的成功并实现工业化，以全昱式结构的茄尼 醇为原料半合成辅酶q 。o 的研究引起了化学家的广泛关注。目前，通过茄尼醇半合成辅 酶q 。o 主要有两条途径：一是茄尼醇经多步反应制备成癸异戊二烯醇衍生物，再与2 ，3 二甲氧基一5 甲基1 4 苯醌( q o ) 及其衍生物多步合成的侧链直接引入法；用2 ，3 。二甲氧 基5 一甲基一1 4 苯醌( q o ) 或四甲氧基甲苯先制各成含有异戊烯结构的中问体，再与茄尼 醇衍生物经偶联、氧化的侧链延长法。由于作者研究的是化学合成法，而化学合成法也 是最近化学工作者研究的比较多的方法，因此本文将在下一章专门综述化学合成法。 1 4 辅酶q i o 的发展现状 2 5 - 2 6 1 随着辅酶q 。在医药、食品添加剂、化妆品等领域的广泛应用，这种产品在全世界 的开发已成热潮。然而该产品目前在我国的产量很小，市场极不饱和。据海关部门统 计，我国2 0 0 1 年消耗的辅酶q 1 0 原料药为2 0 吨，国内市场缺口较大，其中进口将近 1 4 7 吨，国内市场缺口较为严重。 日本是最早开发辅酶q 1 0 ，并成为世界上产量最大的国家。据统计，全球有9 0 的 产品来自日本。全球产量最高的两家公司为日清制粉公司和协和发酵株式会社，这种产 品在日本已成为上市药品。 据有关部门估计，由于近几年美国国内形成了天然保健品热，该产品在美国的年销 量达到3 0 吨以上，美国约占其中的一半。含辏酶q - o 的营养保健品与其它的天然保健 辅酶0 一。的合成研究 品一样，可在美国的超市、食品连锁店和药店里自由出售，无需医生处方。由于它效果 确切，故很受西方消费者欢迎。 2 0 0 1 年消耗辅酶q l o 最多的国家( 地区) 分别为美国、日本、西欧与澳大利亚，由 于它具有较好的药用和保健功能，目前在国际市场上供不应求。当前国际市场上用微生 物发酵提取法生产的q l o 小包装，售价在2 0 美元克以上。 我国从2 0 世纪7 0 年代起开始进行辅酶q 。o 的技术研究，目前国内采用生物提取工 艺生产辅酶q ，0 的企业主要由北京制药厂、泰州生物化学制药厂、青岛生物化学制药厂 等十几家，总生产能力在6 0 0 千射年左右。 国内关于微生物发酵提取法生产辅酶q 。的研究在近几年也取得了突破性进展。 1 9 9 8 年，烟台康泰药业制品公司开始进行光和菌发酵法生产辅酶q o 的研究。中国科学 院微生物研究所在这方面也取得了一定的成绩。我国生产辅酶q o 胶囊的企业有：北海 南方迈迪药业有限公司、广东华南制药厂、广州明兴制药厂等3 0 多家企业。 然而现在最好的生产辅酶q ，o 方法是用茄尼醇为原料半合成法合成，这个方法在我 国现在还不很成熟。于足我们每年不得不进口大量的辅酶q l o 。但是我国是世界上茄尼 醇生产能力较大的国家，但辅酶q o 的产量却极低，国内缺口很大。许多国家大量从我 国进口茄尼醇粗品( 1 7 ) ，经深加工成精品及纯品，并以此为原料合成辅酶q l o 后，又 销往我国、欧洲及世界各国赚取高额利润。另外，近几年国外不少国家和地区向我国外 贸寻求辅酶q l o ，国际市场对我国辅酶q l o 的总需求量超过3 0n - q j 年。在工艺方面，近几 年我国企业也逐渐掌握了生物提取法、半化学合成法以及微生物发酵提气法等先进技 术，因此，在我国加快开发生产这种市场前景极好的产品已成为当务之急。 1 5 ，j 、结 在辅酶q 1 0 的四种生产方法中，提取法和植物细胞培养法都不适合大量生产。发酵 法虽然能够大量生产，但是发酵液中辅酶q ，o 的含量很低，分离成本非常高，除非找到 辅酶q i o 的高产菌株，否则发酵法生产辅酶q i o 在经济上也没有竞争力。化学合成法生 产时目前唯一可以大批量生产辅酶q o 的方法。另外，茄尼醇是生产辅酶q 。o 的原料之 ，它是从烟叶中提取出来的，我国是世界上茄尼醇生产能力较大的国家，生产能力已 接近1 0 0 日哲年，拥有比较充足的辅酶q 1 0 原料资源优势。但由于我国合成技术不过关， 辅酶q 一0 还无法实行半化学合成化生产，急需开发出一条成本低、适合工业化生产的辅 酶o 】o 合成工艺。 大连理工大学硕士学位论文 2 辅酶q 1 0 的化学合成路线概述 目前，关于辅酶q l o 的化学合成，文献报道的不是很多，主要分为三类：一种是母 核化合物上引入癸异戊二烯醇基( d e c a p r e n 0 1 ) ；二是首先于母核化合物上引入较短的侧 链，然后再引入所期望的长链；第三种是全合成法，不用茄尼醇作为原料，而用其它的 原料合成出长链 2 7 3 1 】。 2 1 在被保护或未被保护的氢醌或醌的母体上直接引入癸异戊二烯基 ( 1 ) 1 9 5 9 年，r u e g g 等人 3 2 立1 1 下所示路线报道了合成了辅酶q 1 0 0 先将茄尼醇通过 多步反应扩链为癸戊烯醇，后者与氢醌缩合，再氧化制得辅酶q - o 。由于茄尼醇制得的 烯丙基试剂是顺反异构体的混合物，需分离，且产率只有2 0 。 h 3 c o h 3 c o o h o h h 3 c o 川。 p h 一邺。 o h - c o q l 0 所得产品与从猪心提取得到的天然样品的结构相同。但该法的总收率很低，立体选 择性也很差( e z = 8 0 2 0 ) ，而且辅酶q o 价格也比较贵，通过还原得到的氢醌在空气中也 不太稳定。 ( 2 ) 1 9 7 2 年，s t a t o 等人 3 3 报道了如下路线，其中第4 步用n i 做催化剂，并对两个 酚羟基进行保护，一定程度上提高了耦合的产率( 2 6 ) ，但在酸性条件下烯丙基部分不 稳定，从而难以保持双键的构型。 辅酶0 l o 的合成研究 oo 邺h 3 c o 打与邺h 3 c 。o 一，一篡 o f ) c ，h 6 0 n a h 3 c o 二二= 。 f 2 ) c 1 c h ，o c h l h 3 c o h 3 c o h 3 c o o o a o o g o - 、 o h o h ( 1 ) 8 a v 飞h - r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一i n , - r 2 1 h + 型k c 。q i o ( 3 ) 1 9 7 9 年，n a r u t a 等人【3 4 报道了将异戊烯部分制成锡烷，利用锡烷的强亲核性 与醌反应，并以b f 3 o e t 2 做催化剂，在低温条件下( 7 8 ( 2 6 0o c ) 反应，最后得到几何 构型为( e z = 8 5 1 5 ) 的产品，但产率以异戊烯锡烷计算也只有5 1 。合成路线如下： h 3 c o h 3 c o o + m 8 3 s ”v m h o 旦3q 旦2 ：生g1 2 ：2 旦= ：q 羔旦 垒里q ：兰1 2 q - c o q l 0 ( 4 ) 1 9 8 2 年，y o s h i z a w a 3 5 1 报道了一个新的方法，即利用重排法将癸异戊2 2 烯基引 入母核化合物的酚羟基上，然后重排。在路易斯酸的存在下进行重排的产率为8 0 。以 m n o z 为氧化剂，此步的收率为5 0 ，构型保持为e z = 9 1 9 。合成路线如下： 大连理工大学硕士学位论文 h 3 c o h 3 c o 0 c o p h ( 1 ) n a h ，d m s o h 3 c o 口8 h h 3 c 。 o h 3 0 k o h 唧h 3 c o 一由丫 j - h ，c o 一丫 o c o p h 。h 业呈! j 些c o q i o ( 2 ) m n 0 2 o p 丫静 ( 5 ) 1 9 9 4 年，v a n 等人 3 6 】通过d i e l - a l d e e r 反应合成出了辅酶q 1 0 。这方法起始原 料与前述几种不同，但从起始原料获得亚甲基萘醌，所需步骤较多，侧链引入亚甲基萘 醌这一步骤的收率为3 5 ，经过狄邛可反应得到最终产物的收率小于6 4 。1 9 9 5 年， h a m a n m r a 等人【3 7 稍微优化了一下此路线，用已有的醌类化合物和环戊二烯通过d i e l a l d e e r 反应直接得到了偶联化合物。1 9 9 8 年，m i c h a e l 3 8 ，优化了上面两种方法，但合 成路线都一样。 0 孵篡 h a 外人 c o q l 0 c i c l 辅酶0 t o 的合成研究 ( 6 ) 2 0 0 4 年，d a n i c e l 3 9 发了一个专利，利用从废烟叶中提取的茄尼醇为原料，制成 了一种新的五十个碳的烯醇，然后直接与辅酶q 0 偶联上，得到全反式的辅酶q ，o ，最后 一步收率为5 0 。路线如下： 一1，【t少。轧一1，【、，人。r(1)ch3coch2cooc2h5,naoc2h5 “叫川。骘 一1 人口木+ 邺。 、 9o h h ，c o o 1 人外小矿 、 9o h ! ! ：竖 - h 3 c o 4 3 1 0 m i n h 3 c o 从以上的几条合成路线可以看出，此类方法的共同特点是母核化合物与聚异戊二烯 化合物反应，这一关键步骤的产率都不太高。并且聚异戊二烯化合物大多由茄尼醇经如 下式的反应制得，路线一般都比较长，收率大约在5 0 左右 4 0 1 ，因此，侧链直接引入 法这种合成策略不太理想。 一t 人外人、。旦。“1 人外人洲 88 ，1ii “牛、卞、- 0 8 e i o 哇少o e i q e i 二二：， ( 1 ) c h 3 c o c h 2 c o o c 2 1 1 5 , n a o c 2 h 5 ( 2 ) n a o h ii o “p 6 v 叶9 v 。e l 一1 ，少。一1 ，毋。， d i b a l h c v c l o h e x a n e 2 2 先在母核化合物上引入一异戊烯基，再引入所期望的长链 这个合成方法的关键是：( 1 ) 短侧链与母体化合物高产率的结合；( 2 ) 延长短侧链时 几何构型的保持。 ( 1 ) 早在1 9 7 9 年，t e r a o 4 1 就利用辅酶q 7 合成辅酶q l o ；因原料辅酶q 7 价格十分 昂贵，所以此路线实用价值不大。1 9 7 9 年，该小组利用( 4 ) 所示路线进行了很有成效的 大连理工大学硕士学位论文 合成。该路线所用原料价廉易得，反应条件温和，侧链与母核化合物高产率结合 ( 9 0 9 ) ，只是步骤繁多造成总产率的下降。 h 3 c o h 3 c o o ( c h 3 ) 2 c ( o h ) c = c h 2i = ，h 3 c o p d ，c b f 3 o e 2 ，4 5 h 3 c o 她：兰孵o b z 睇她，。慧味。 一l i , ( c h 3 ) t n hc h 3 n h 2 , t h f , - 7 0 - 7 5 0 c 。q 1 0 ( 2 ) 1 9 8 2 年，s a t o 等人 4 2 对上述路线以及所用的试剂都作了不同程度的改进，如 下所示，其中最后一步的收率可达8 3 ，双键的几何构型也很满意r e z = 1 0 0 0 1 。 篡难卿- - 砷5 0 * 0 , c u c j , , , 慧o r 。 c h l 0 1 1 h c h 3 0 n a ( 3 ) 1 9 8 6 年m o h r i 小组 4 3 1 对上面的两条合成路线作了大量的研究，并报道了他们 的成果，整个路线如下： o o 悔 呈】 o a + 筹 p 一 h 3 c o h 3 c o 辅酶q ，o 的合成研究 o 0 h 3 c o 0 - a 0 - - 0 0 - 0 - 。 篡蜘篡静呲 o v o 。v 。 慧蜘。一删。 h ! 呈j 竺! ! ：型k ( 4 ) 1 9 9 9 2 0 0 2 年，b r u c e 等人 4 , - 4 5 采用了一种新的方法高收率的得到了辅酶 q t 0 ，用三甲氧基苯甲醛作为母核的起始原料，而长链的合成也比较别致，目核与长链 的缩合收率也很高，但是由于采用的条件比较苛刻，而且昂贵的茄尼醇也参与了多步反 应。 h 堕塑! ! ：! ! q 型。 ：兰取 ! 里! i ，c f d m f la i c h h o2 t s c l i + i i ! 坚堂皇! 曼p 2 i 堕k 2 n i ( 0 ) hi h 3 c o h 3 c o h 案7 挚8 c6h t m s 丫竹9 h ”h 一 ，纩 、 l h 3 c o h a c o o t s l d i b a l 2 h c i 慧g 愉罴 1 4 h 3 c o h 3 c o n - b u l l ，e t 2 0 0 4h o o t s c i l 种一 洲取洲 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 2 0 0 3 年，韩国k o o 教授 4 6 ，在仔细研究了前人的基础上，用f r i e d e l c r a f t s 烷 基化替代了原先的格氏反应而接上反式1 苯磺酰基- 2 一甲基4 _ 氯一2 一丁烯得到母核化合 物，但是作者多次重复了此实验，都没有取得成功。合成路线如下： 邺h 3 c 吖o 拧垒 o c h 3 h 3 c o h 3 c o h 3 p d ( d p p l e ) c 1 2l i e t 3 b h - - - - - - - - - - - - - 0 3 0 m i n h 3 c o h 3 c o o ：! 竺皿! t - b u o k 一2 0 2h h 从以上各方法可以看出，这些方法都很好的利用了最贵的原料茄尼醇，都是在反应 的后阶段才将茄尼醇加上，是一种可以工业化的方法，但是在产品的纯度和后处理上， 还有待进一步研究。 2 3 辅酶q 。的全合成法 以上的各种合成方法都是由茄尼醇做侧链的。1 9 8 8 年，e r o n 等人1 4 7 1 报道了用香叶 醇为原料的辅酶q l o 全合成路线。他认为利用茄尼醇合成辅酶q , o 时造成辅酶q ，o 价格 昂贵的主要原因。他报道的路线原料易得、中间体比较容易制备，每步产率较高，但步 骤繁长造成总收率降低。但同时也不失是一个好的合成方法。合成路线如下： 辅酶q ，o 的合成研究 o 丫丫f m e 。气，吖丫 ：亳r 州r 州下一 o m e ：兰亳叩w p 伦n 杆小 一：兰 其e = o c 0 2 m e ，s = s 0 2 c 6 h 5 o m e o 儿 0i i ， 。 丫m 2 0 0 2 年，e i i c h i 等人 4 8 】采用另外一种方法全合成出了辅酶q 1 0 ，其最后产物的双 键几何构型也很满意( e z = 9 8 2 ) ，总收率2 8 ，但是条件苛刻，步骤繁多。 m 。三b 火公l 甄 焉筹羔一邺h3c吖o糕2 c 1n i ( p p hb u l i p p h 3 、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 23 ) 28 n 一 8 0 o 全合成法是一种新的合成方法，目前还有很多这方面的报道 4 9 。如果在后处理和试剂 的选择上能够满足工业化的要求的话，也是一种值得推广的方法，但是到目前为止，还 没有发现好的办法，主要是多烯烃的侧链和全反式的结构是一个比较难解决的问题。 丛 大连理工大学硕士学位论文 3 实验方案及反应机理 3 1 设计思想 比较辅酶q ，o 的