（应用化学专业论文）酵母催化苯基乙二醇衍生物的不对称合成.pdf

摘要 0 i i i i i i 1 1 1r l l l l l lq 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1q l l l l l l l l l lq l l l ： 、t18 8 9 6 5 1 手性苯基乙二醇衍生物是一类在手性碳上连有羟基的旋光性化合物，是合成医药、 农药、材料等的重要原料，由羰基的不对称还原可制备一系列手性醇。不对称还原羰基 化合物的方法较多，生物催化具有绿色高效的优点而成为获得手性苯基乙二醇衍生物的 有效途径，面包酵母由于其廉价易得，且还原效果较好而被广泛使用。 本文首先通过微波辅助合成了5 种0 【羟基苯乙酮衍生物，通过单因素实验考察了反 应时间、压力、底物浓度对反应的影响，得到了由a 溴代苯乙酮衍生物和水反应的较佳 反应条件：a 溴代苯乙酮衍生物的质量含量为1 2g l ，微波辐射时间为2 5m i l l ，反应压 力为0 3 01 v i p a 。在此条件下，各种物质都获得了较佳的产率。实验发现，微波对本反应 有较大的促进作用。与传统合成法相比，微波辅助合成在较短的反应时间获得了良好的 产率，同时，本反应以水作为反应试剂和溶剂，具有经济环保的优势，符合绿色化学的 要求。所得小羟基苯乙酮衍生物作为酵母催化不对称合成苯基乙二醇衍生物的底物。 文中还采用简单的化学还原法，以硼氢化钠为还原剂对5 种a 羟基苯乙酮衍生物进 行了还原，产物经柱层析纯化得到5 种外消旋产物，用装有手性毛细管柱的h p l c 对还原 后得到的外消旋产物进行液相色谱分析，得到了较合适的液相检测条件和此条件下孓构 型产物和r 构型产物的保留时间，为下一步酵母催化不对称还原提供了参照。 本文在温和与环境友好的水溶液介质中以面包酵母为生物催化剂对5 种甜羟基苯乙 酮衍生物的不对称还原进行了首次研究，以底物的转化率和产物r 苯基乙二醇衍生物的 对映体过量值为评价指标，采用单因素实验考察了反应时间、p i - i 值、反应温度、底物 浓度等多种因素对反应的影响，得到了优化的反应条件。研究结果表明，在底物浓度为 1 5m m o 儿，酵母用量为7 0g l 的水溶液中，在3 2o c 下反应1 2h ，除a 羟基对甲氧基 苯乙酮的转化率为7 3 4 ，产物的p 幺值9 4 2 外，其他4 种甜羟基苯乙酮衍生物的转 化率可以达到9 7 2 ，产物的e 卫值大于9 6 0 。研究发现苯环上取代基为氯原子的底 物的转化率高于对甲基和对甲氧基取代的底物。同时还发现单纯的水相体系的反应效果 优于磷酸缓冲液体系；在无添加剂的水相体系中，酵母细胞在4 6h 后开始衰败，因此， 反应时间应小于4 6h 。 关键词：不对称还原：酵母催化；a 羟基苯乙酮衍生物；手性苯基乙二醇衍生物；微波 辅助合成 a b s t r a c t a b s t r a c t 1 - p h e n y l 一1 ，2 - e t h a n e d i o ld e r i v a t i v e sa r eo p t i c a l l ya c t i v ec o m p o u n d s 谢t 1 1ah y d r o x y lo n t h ec h i r a lc a r b o n , w h i c ha l ei m p o r t a n ti nt h es y n t h e s i so fp h a r m a c e u t i c a l s ，p e s t i c i d e sa n d m a t e r i a l s c a r b o n y lc o m p o u n d sc a nb ea s y m m e t r i cr e d u c e d i n m a n yw a y s 。b u tt h e b i o c a t a l y s i sm e t h o di st h ee f f e c t i v eo n ef o rt h ea d v a n t a g e so fg r e e na n dh i 曲e f f i c i e n c y b a k e r sy e a s ti sw i d e l yu s e dd u et oi t sc h e a pa n dg o o dr e d u c t i o np r o p e r t i e s f i v ea - h y d r o x y a c e t o p h e n o n ed e r i v a t i v e sw e r es y n t h e s i z e dw i t l lm i c r o w a v ei r r a d i a t i o n t h ee f f e c t i n gf a c t o r si n c l u d i n gr e a c t i o nt i m e ，p r e s s u r ea n ds u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o nw e r e s t u d i e d t h eo p t i m a lc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e d ，w h i c hw r ea b r o m o a c e t o p h e n o n ed e r i v a t i v e s q u a l i t yc o n t e n to f1 2g | l ，m i c r o w a v ei r r a d i a t i o nt i m eo f2 5m i n ，t h er e a c t i o np r e s s u r eo f o 3 0m p a i tw a sf o u n dt h a tt h em i c r o w a v ep l a y e da ni m p o r t a n tr o l ei np r o m o t i n gt h er e a c t i o n c o m p a r e d 谢t l lt r a d i t i o n a ls y n t h e s i s ，m i c r o w a v ea s s i s t e ds y n t h e s i sr e a c t i o ng a i n e dag o o d y i e l di nas h o r tt i m e a tt h es a m et i m e ，w a t e rw a su s e da sg r e e na n de c o n o m i ce n v i r o n m e n t r e a g e n t sa n ds o l v e n t s ，w h i c hm e tt h er e q u i r e m e n t so fg r e e nc h e m i s t r y t h e r e f o r e ，t h ea c q u i r e d - h y d r o x y a c e t o p h e n o n e d e r i v a t i v e sw e r eu s e da st h e s u b s t r a t e sf o rc a t a l y t i ca s y m m e t r i c s y n t h e s i si np r e p a r i n go f1 - p h e n y l - l ，2 - e t h a n e d i o ld e r i v a t i v e sb yb a k e r sy e a s t a s i m p l ec h e m i c a lr e d u c t i o nm e t h o dw a sc h o s e nf o rt h ef i v ea - h y d r o x y a c e t o p h e n o n e d e r i v a t i v e sr e d u c t i o nu s i n gs o d i u mb o r o h y r d r i d ea sr e d u c i n ga g e n t t h ef i v er a c e m i cp r o d u c t s w e r eo b t a i n e da n dp u r i f i e db yc o l u m nc h r o m a t o g r a p h y , a n da l s oa n a l y z e db yh p l cw i t l l c a p i l l a r yc o l u m n , r e s p e c t i v e l y a n dt h ec o r r e s p o n d i n gr e t e n t i o nt i m e so fs - c o n f i g u r a t i o na n d r c o n f i g u r a t i o np r o d u c tw e r eo b t a i n e d ，w h i c hp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h en e x ta s y m m e t r i c r e d u c t i o nc a t a l y z e db yb a k e r sy e a s t i nt h i sp a p e r , t h ea s y m m e t r i cr e d u c t i o no ff i v ea - h y d r o x y a c e t o p h e n o n ed e r i v a t i v e sw a s s t u d i e df i r s t l yu s i n gam i l da n de n v i r o n m e n t a l l yf r i e n d l yw a t e rs o l u t i o na sm e d i u ma n d b a k e r sy e a s ta sb i o l o g i c a lc a t a l y s t t h ee f f e c t i n gf a c t o r s ，i n c l u d i n gr e a c t i o nt i m e ，p r e s s u r e ， p ha n ds u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o n , w e r ei n v e s t i g a t e da n do p t i m i z e db ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t c o n v e r s i o no fs u b s t r a t ea n de n a n t i o m e r i ce x c e s sv a l u eo fr - 1 - p h e n y l - 1 ，2 一e t h a n e d i o l d e r i v a t i v e sw e r eu s e da se v a l u a t i o ni n d e x e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tw h e nt h e s u b s t r a t ec o n c e n t r a t i o nw a s15m m o f l ，t h ea m o u n to fb a k e r sy e a s tw a so f7 0 9 l ，r e a c t i o n t i m ew a s12ha n dr e a c t i o n t e m p e r a t u r ew a s3 2 ，t h ec o n v e r s i o no fo t h e r 4 a - h y d r o x y a c e t o p h e n o n ed e r i v a t i v e sc o u l dr e a c hm o r et h a n9 7 2 a n de e v a l u e so v e r9 6 0 e x c e p t2 - h y d r o x y 一1 - ( 4 一m e t h o x y l p h e n y l ) - e t h a n o n e ，w h i c hi t sc o n v e r s i o nr a t ew a s7 3 4 a n d e e v a l u ew a s9 4 2 w ef o u n dt h a tt h et r a n s f o r m a t i o no fs u b s t r a t e sw h i c hs u b s t r a t e dw i t h c h l o r i n eo nt h eb e n e n er i n gw e r eh i g h e rt h a nm e t h y la n dm e t h o x ys u b s t i t u t e ds u b s t r a t e s w e a l s of o u n dt h a tn o n a q u e o u sb u f f e rs y s t e mw e r eb e t t e rt h a nt h eb u f f e rs y s t e m ，w h i l et h e a b s e n c eo fa d d i t i v e si nt h ew a t e rp h a s e ，b a k e r sy e a s tc e l l sb e g a nt od e c l i n ea f t e r4 6h ，t h e r e a c t i o nt i m ew a sl e s st h a n4 6h 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 ；b a k e r sy e a s tc a t a l y s i s ；a - h y d r o x y a c e t o p h e n o n e d e r i v a t i v e s ；o p t i c a l l y1 - p h e n y l - 1 ，2 - e t h a n e d i o ld e r i v a t i v e s ；m i c r o w a v ea s s i s t e ds y n t h e s i s ； i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 手性化合物1 1 2 光学活性苯基乙二醇衍生物制备的研究进展l 1 2 1 化学法制备光学活性苯基乙二醇衍生物的研究进展1 1 2 2 生物法制备光学活性苯基乙二醇衍生物的研究现状2 1 3 酵母催化芳香酮类的不对称还原研究现状4 1 3 1 酵母细胞在不对称还原中的应用简介4 1 3 2 酵母细胞用于羰基的不对称还原反应4 1 3 3 酵母细胞用于芳香酮类的不对称还原反应6 1 4 立题依据及主要研究内容9 第二章微波辅助合成羟基苯乙酮及其衍生物儿 2 1 前言1 l 2 2 实验部分。1 1 2 2 1 实验仪器和试剂1 1 2 2 2 仅溴代苯乙酮及其衍生物的合成1 2 2 2 3 微波辅助合成a 羟基苯乙酮衍生物1 3 2 2 4 传统方法合成0 【羟基苯乙酮衍生物1 3 2 3 结果与讨论1 3 2 3 1 产物分析。13 2 3 2 微波辐射时间对产物产率的影响1 9 2 3 3 反应压力对产物产率的影响1 9 2 3 4 底物质量含量对产物产率的影响。2 0 2 3 5 微波辅助合成与传统加热方法合成的比较。2 1 2 4 本章小结2 2 第三章苯基乙二醇衍生物的合成2 3 3 1 前言。2 3 3 2 实验部分2 3 3 2 1 实验仪器和试剂2 3 3 2 2 实验步骤2 4 3 3 结果与讨论2 4 3 3 1 苯基乙二醇衍生物的熔点测定2 4 3 3 2 苯基乙二醇衍生物的红外光谱分析2 4 3 3 3 苯基乙二醇衍生物的核磁共振谱图分析。2 6 i 目录 3 3 4 液相色谱检测结果分析3 0 3 4 本章小结3 3 第四章酵母催化手性苯基乙二醇衍生物的不对称合成3 4 4 1 前言3 4 4 2 实验部分3 4 4 2 1 实验仪器和试剂3 4 4 2 2 酵母催化不对称还原实验步骤3 5 4 2 3 实验结果检测和数据处理3 5 4 3 结果与讨论3 7 4 3 1 反应温度对底物的转化率和产物e e 值的影响3 8 4 3 2 反应时间对底物的转化率和产物e e 值的影响3 9 4 3 3 体系p h 值对对底物的转化率和产物e e 值的影响3 9 4 3 4 底物浓度对底物的转化率和产物e e 值的影响4 0 4 3 5 苯环上的取代基对产物转化率和e e 值的影响4 1 4 4 本章小结。4 2 第五章主要结论和课题展望4 4 5 1 主要结论4 4 5 2 课题展望4 4 致谢4 5 参考文献4 6 附录：作者在攻读硕士期间发表的论文。5 2 i v 第一章绪论 第一章绪论 1 1 手性化合物 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、瓜和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。 手性化合物作为重要的精细化学品的中间体，在药物、农药、功能材料、食品添加 剂等领域有着广泛的应用。例如，在许多杀虫剂、杀菌剂、昆虫激素及信息素中，只有 特定的手性组分才具有生物活性；在香料中，不同手性组分的香味完全不同；在功能性 材料中，如液晶、“靶”性化合物、半导体有机材料、导电有机材料等，不同的手性组 分物理性质完全不同，材料性能也相差甚远。不同空间结构的同一化合物却呈现出不同 的物理、化学和生物功能，因此，获得单一光学结构的光学纯化合物是近代有机合成中 的一个重要课题，对于化学、生物学以及药学的应用和研究具有重要的意义。 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【l 明，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。由羰基的不对称转化可制备一系列手性 醇化合物，它们已被广泛的用于制备各类高附加值的化学品。其中光学活性的苯基乙二 醇衍生物，其结构式如图1 1 所示，由于其含有两个相邻的羟基，更易转化成目标化合 物，因此已成为制备光学活性的医药、农药和功能材料的重要中间体。 o h r o h 图1 - 1 苯基乙二醇衍生物的结构图 f i g 1 - 1s t r u c t u r eo fl - p h e n y l 一1 ，2 - e t h a n e d i o l 1 2 光学活性苯基乙二醇衍生物制备的研究进展 1 2 1 化学法制备光学活性苯基乙二醇衍生物的研究进展 化学法制备苯基乙二醇衍生物的方法可分为化学催化不对称合成和化学拆分。 化学催化不对称合成方法又可分为化学计量的不对称催化合成和催化剂量的不对 称催化合成两种。化学计量的不对称催化合成法选择合适的手性助剂是关键，催化剂量 的不对称合成法重点是找到好的手性催化剂。目前，化学法制备单一光学活性的苯基乙 二醇衍生物常用催化剂量的不对称合成法，常用到一些重金属催化剂，例如，b h a r a r h i b a l a g a m 等 4 1 以苯乙烯为原料在锇的氧化物、双氧水和二氧化碳的存在下反应，得到 苯基乙二醇，产率9 5 ，e e 值( 对映体过量值，下同) 8 3 ，见图1 2 。 江南大学硕士学位论文 c 0 2 h 一，o 叮h ：o h 图1 - 2 利用苯乙烯为原料制备光学活性苯基乙二醇 f i g 1 - 2p r e p a r a t i o no f o p t i c a l l ya c t i v e1 - p h e n y l l ，2 - e t h a n e d i o lf r o ms t y r e n e l e t k o 等5 1 以a 羟基苯乙酮为原料，在手性铱试剂的催化下得到火苯基乙二醇，产率 5 9 ，见图1 3 。l e e t 6 】等q 羟基苯乙酮为原料，在3 + 价手性铑试剂的催化下得到r 苯基乙 二醇，p 巴值5 6 。 o h 铱试剂 - - - - - - - - l ，o h 图1 - 3 利用洳羟基苯乙酮为原料制备光学活性苯基乙二醇 f i g 1 - 3p r e p a r a t i o no f o p t i c a l l ya c t i v e1 - p h e n y l - 1 ，2 一e t h a n e d i o lf r o ma - h y d r o x y a e e t o p h e n o n e k a w t h e k a r 等【刀以苯基环氧乙烷为原料，在手性钴试剂的催化下得到苯基乙二醇， e e 值5 0 ，见图1 - 4 。 旷手印h 化学拆分是利用手性助剂把外消旋的两个对映体转变为非对映异构体，然后利用非 对映体之间的物理性质的差别将其分开，再分别还原成原对映体，操作过程比较繁琐。 化学拆分制备光学活性的苯基乙二醇衍生物需要对羟基进行选择性保护，易生成其它衍 生物，拆分难度较大，且反应中用到的手性催化剂和保护剂一般具有毒性，会对环境造 成危害。因此，这种方法应用较少。 1 2 2 生物法制备光学活性苯基乙二醇衍生物的研究现状 根据反应途径及作用特点，生物法制备光学活性苯基乙二醇衍生物的方法可分为三 类：动力学拆分、催化不对称转化和去消旋作用。动力学拆分以外消旋体为底物，反应 只作用于其中的一类对映体，所得到的光学纯的对映体的产率不高于5 0 ，如脂肪酶催 化不对称转化酯、利用脱氢酶催化氧化还原反应等；不对称转化以前手性化合物为底物， 经转化得到光学纯的产物，如萘双氧化酶立体选择性氧化苯乙烯；去消旋作用以外消旋 体为底物，将其中某一对映体转化为另一对映体，得到光学纯的产物，产率高于5 0 ， 如微生物的立体选择性转化。其中，生物催化不对称转化方法由于效率更高，更适用于 制备光学活性苯基乙二醇衍生物。 1 生物催化法和化学催化法的比较 2 目前，化学催化法是制备手性醇的主要方法，但化学法由于高效低污染的配体不易 获得，而且催化剂难以回收同时对环境污染较大的缺点，随着绿色化学的发展，生物法 成为人们研究的热点。生物方法制备手性醇主要为生物催化法，即利用酶或全细胞将前 手性酮还原为相应的手性醇或者将混旋醇去消旋化。与化学催化法相比，生物催化法具 有表1 1 的优势和劣势【引。 表1 1 生物催化法和化学催化法的比较 t a b 1 - 1c o m p a r a t i o no f b i o e a t a l y s i sa n dc h e m i c a lc a t a l y s i s 2 生物催化法制备光学活性苯基乙二醇衍生物的研究现状 生物方法制各光学活性苯基乙二醇的方法很多，然而有的方法由于产品光学纯度或 产率过低，有的由于成本过高或生产提取步骤复杂难以工业化p 1 2 】。反应实例如下： l i e s e 等【9 】用乳酸脱氢酶还原丙酮酸产生辅酶n a d + ，利用甘油脱氢酶( g d a ) 在辅 酶n a d + 的参与下将r 苯基乙二醇氧化为a 羟基苯乙酮，再利用循环反应器将得到的产 物苯基乙二醇萃取出来，以降低产物对酶的抑制作用，产率5 0 ，s - 苯基乙二醇e e 大 于9 9 。 l e e 等【l o 】利用萘双氧化酶( n d o ) 氧化苯乙烯，得到尺苯基乙二醇( 7 8 6 p e ) ， 见图1 5 。 o 一一 2 0 h 图1 - 5 利用萘双氧化酶转化苯乙烯 f i g 1 - 5p r e p a r a t i o no f r - 1 p h e n y l 一1 ，2 e t h a n e d i o lb yd n o h a s e g a w a 等1 l 】利用近平滑假丝酵母( c a n d i d ap a r a p s i l o s i si f 0 0 7 0 8 ) 全细胞立体选 择性转化外消旋苯基乙二醇，得到昌苯基乙二醇( 9 9 p 巴) ，见图1 - 6 。 q ho h li g 一伽：型幽型旦 2 0 h 图l 一6 利用酵母转化外消旋苯基乙二醇 f i g 1 - 6p r e p a r a t i o no f s - 1 - p h e n y l - 1 ，2 一e t h a n e d i o ib yc a n d i d ap a r a p s i l o s i s z h a n g 等【1 2 1 用重组的具有( 尺) 专一性羰基还原酶的大肠杆菌( ec o l ib l 2 1 ) 转化 羟基苯乙酮，得到r 苯基乙二醇，底物的转化率为8 6 4 ，e e 值9 3 6 ，与没有进行基 因重组的野生菌株相比，转化率和e 巴值分别提高了3 6 5 和1 5 8 ，见图1 - 9 。 江南大学硕士学位论文 o 。 r 9 ac o h 警泸嚣删 图1 7 用重组大肠杆菌不对称还原o 【羟基苯乙酮 f i g 1 - 7a s y m m e t r i cr e d u c t i o no fa - h y d r o x y a c e t o p h e n o n eb yr e 吐r u c t u i n ge c o l i 近年来，直接利用微生物全细胞进行生物催化获得手性醇倍受重视，这主要是由于 其反应体系中不需添加辅酶，利用细胞自身的氧化还原系统进行转化，直接对前手性底 物作用，得到光学纯的一种对映体，理论产率可达1 0 0 ，且产物分离比较简单【1 3 , 1 4 。 面包酵母细胞中含有丰富的氧化还原酶，且廉价易得，其全细胞应用于生物催化取 得了较好的效果，为进年来生物催化研究的热点之一。 1 3 酵母催化芳香酮类的不对称还原研究现状 1 3 1 酵母细胞在不对称还原中的应用简介 面包酵母作为一种生物催化剂用于不对称合成的研究近年来十分活跃【”】。随着生物 制备技术的发展，有机化学工作者无须借助生物学者的帮助，直接将面包酵母用于各类 化合物的不对称合成，往往获得了很高的光学产率。 由于面包酵母来源丰富且价廉，同时其固定化技术的快速发展，使之能很方便地直 接用于化学反应【1 引。面包酵母细胞在反应中充分显示出酶催化的优点：( 1 ) 它在p h5 7 5 的水中表现出很好的活性，因此反应条件温和，在中性、常温、常压下使反应顺利进行， 尤其适合于促进对酸碱敏感基团的反应；( 2 ) 本身结构为一手性大分子，可以和消旋化合 物的两个对映体以不同的速度进行反应，而达到动力学拆分的目的；( 3 ) 它能在某些有机 分子的非活性中心发生反应，可以得到难于用一般化学反应获得的产物。 近几年来，有机化学家不仅将面包酵母用于催化目的，而且已将它作为试剂广泛应 用于如下方面【1 7 j ：( 1 ) p 酮酯的还原；( 2 ) 多种氧代酸衍生物的还原；( 3 ) a 羟基醛和酮还原 成连二醇；( 4 ) a 碳上含硫功能基酮的还原；( 5 ) b 二酮的还原；( 6 ) 碳碳双键的还原；( 7 ) 碳 碳单键的生成( 包括功能基手性合成结构单元的制各等) ；( 8 ) 光学活性氟化合物制备；( 9 ) 杂环酮的还原；芳香酮的还原；o d 环状外消旋酮的动力学解析；含硝基化合物的还 原；q 3 ) 酯的水解；0 4 ) a ，3 - 不饱和醛的双键水加成；0 5 ) 不饱和脂肪酸的脱氢作用等。下 面介绍几类酵母细胞用于羰基的不对称催化还原反应。 1 3 2 酵母细胞用于羰基的不对称还原反应 面包酵母由于含有脱氢酶、酯酶、还原酶等多种酶在生物不对称还原尤其在催化羰 基及活性碳碳双键不对称还原方面应用广泛。使用全细胞酵母细胞催化，可以省去昂贵 的单一酶的分离纯化费用，更重要的是酵母细胞体内含有氧化还原所需的辅酶( n a d h 或n a d p h ) 及其再生系统，只需廉价的碳源就可以进行辅酶再生【1 8 】，酵母细胞还原羰 基化合物示意图见图1 8 。 4 第一章绪论 o h o f ； rr 图1 - 8 有辅酶再生的酵母细胞生物催化还原羰基化合物 f i g 1 - 8c a r b o n y lr e d u c t i o nb yb a k e r sy e a s tw i t hc o - f a c t o rr e g e n e r a t i o n 利用酵母细胞中的还原酶催化还原醛酮中的c = o 键，其中酮羰基的反应大多遵循 p r o i l l o g 规则【1 9 1 ，形成s 型醇。p r e l o g 规则即指在还原反应过程中：h 是从前手性酮的r e 面加成得到高立体选择性的产物的，其中：r e 代表体积大的取代基团，风代表体积小的 取代基团。 r e f a c e 图1 - 9 p r e l o g 规则 f i g 1 - 9t h ep r e l o gr u l e 酵母细胞用于催化羰基化合物获得相应的手性醇国内外学者已做了大量的工作，下 面做一些简单的介绍。 1 3 2 1 简单酮的还原 酵母细胞能催化简单酮中羰基的不对称还原，形成遵循p r e l o g 规则的孓醇。简单脂 肪酮或芳香酮被酵母还原时，多数长链酮不能被酵母还原，只有长链甲基酮才能被酵母 催化还原【2 们。 1 3 2 2p 羰基酯的还原 面包酵母能催化大多数的1 3 酮酯的羰基还原反应，生成r 或孓型的羟基酯，如图1 1 0 所示。还原醇的构型很大程度上取决于底物两侧取代基的类型，同时人们发现可以用 p r o l o g 规则来预测对映体产物的构型，因此可以通过改变底物的结构来改变产物的构型， 例如，u s h l o 等【2 1 1 用酵母不对称还原，当r l 为甲基时得到了躏型的产物，而甲基上的氢 被一个氯原子取代后就得到了r 构型的产物。酵母还原的结果有时还与酵母细胞的培养 条件有关，a l l a nc 等 2 2 1 用酵母不对称还原3 氧代戊酸甲酯，缓冲液中添加硫酸镁后得 到了r 构型的产物，而没有添加硫酸镁的缓冲液体系得到了躏型的底物。 江南大学硕士学位论文 印丫y k oo b a k e r sy e a s t oo h r ：少j r 。 图1 - 1 0 酵母细胞催化p 酮酸酯的不对称还原反应 f i g 1 1 0a s y m m e r i c r e d u c t i o no f p k e t oe s t e rb yb a k e r sy e a s tc e l l 在催化还原烷基取代p 酮酯时可以获得两个手性中心的化合物，对映体过量值的 高低在很大程度上取决于底物上连接的酯和羰基的基副2 3 1 。 1 3 2 - 3a 羰基酮的还原 利用面包酵母不对称还原0 【羟基醛或酮可以生成非常有用的手性连二醇，这类反应 通常“反p r e l o g 2 4 】。w a n g 等1 2 5 】用酵母催化取代的萘并乙二酮，通过控制反应时间和 添加共溶剂( c o s o l v e n t ) 得到了转化率为2 4 - - 8 4 p e 值为1 0 - 9 3 的取代萘并乙二醇。 1 3 2 1 二酮的还原 酵母还原带有两个以上羰基的化合物时，反应的非对映体选择性和对映体选择性主 要由化合物所带的r 基团和环的大小所决定的，一些化合物由于空间位阻效应，常还原 一个羰基而另一个保持不变，如a 二酮的还原【2 6 】和环状p 二酮的还原口7 1 。在还原洳二酮 的过程中，控制反应时间可以使两个羰基都被还原，见图1 1 1 ( 1 ) ，其产物是功能材的重 要砌块。与环状b 二酮不同的是，直链丫二酮，见图1 1 1 ( 2 ) 中的两个羰基均能被酵母不 对称催化还原，生成相应的丫二醇【2 8 1 。 o 【) ( 1 )( 2 ) 图卜1 1 酵母不对称还原二酮的两个代表 f i g 1 - 1 1s a m p l e so f a s y m m e r i cr e d u c t i o no f d i o n eb yb a k e r sy e a s t 除上面列举的几种类型的羰基外，面包酵母还可以用于带有硝基、氟、硫和杂环等 功能基的酮类化合物的还原【2 9 1 。 1 3 3 酵母细胞用于芳香酮类的不对称还原反应 酵母细胞催化芳香酮类的不对称合成研究由来已久，由于芳香酮类的特殊结构，所 以它很容易进行不对称手性合成，国内外学者对其也进行过一定的探索性实验。 n a k a m u r a 等 3 0 , 3 1 】研究了酵母细胞催化芳香酮的不对称还原反应，通过改变底物上的取代 基，使产物的e e 值获得了较大的提高见图1 1 2 。h a y a k a w a 3 2 1 等在这方面也进行了相应 的研究，得到了同样的结果。 6 第一章绪论 e f sy e a s t o h b a k e r sy e a s t _ _ _ 一 6 9 e e 图l - 1 2 酵母细胞催化苯乙酮衍生物 f i g 1 1 2r e d u c t i o no f a c e t o p h e n o n e sb yb a k e r sy e a s t y a d a v l 3 3 j 等用酵母不对称还原2 叠氮1 芳香酮，见图1 1 3 产率8 8 9 4 ，e e 值 9 2 1 0 0 ，实验发现r 为苯环和萘环的底物得到了r 构型的产物，而r 为噻吩的底物得到 了s 构型的产物，反应的温度、时间、体系p h 值对产物的e e 值没有影响，而较高的底 物浓度则使产物的e e 值降低。 b a k e r sy e a s t s u c r o s e p h o s p h a t eb u f f e r n 3 r = a r y l , n a p h t h y l ，t h i e y l 图1 1 3 酵母细胞催化2 叠氮1 芳香醇衍生物 f i g 1 1 3r e d u c t i o no f 2 一a z i d o - 1 一a r y l k e t o n e sb yb a k e r sy e a s t m a n i t t op 等1 3 4 j 研究了酵母细胞不对称催化还原b e n z o 2 t e t r a l o n e s ，结果表明羰基连 在芳环上不同的位置，得到不同构型的产物，见图1 1 4 ，其中图底物( 1 ) 还原后得到了s 构型的产物，产率7 5 ，e e 值7 2 ；底物( 2 ) 还原后得到了月构型的底物，产率6 2 ，巴巴 值3 0 ；底物( 3 ) 还原后得到了s 构型的芳香醇，产率5 8 ，巴巴值1 2 。 必 ( 1 )( 2 )( 3 ) 图1 1 4 酵母细胞催化还原b e n z o - 2 - t e t r a l o n e s f i g 1 - 1 4r e d u c t i o no f b e n z o - 2 - t e t m l o n ed e r i v a t i v e sb yb a k e r sy e a s t w a n g 等1 3 5 j 用酵母不对称还原1 ，2 二羰基苊，见图1 1 5 ，反应4h ，1 ，2 二羰基苊的 转化率达到7 0 ，1 羟基2 苊酮的量达到最大值( 5 0 ) ，随着时间的延长，c 括3 和t r a r t s 3 的产率逐渐增加，当反应4 8h ，1 和2 几乎反应完全，t r a n s 3 的含量超过8 5 ，c s 3 含量 仅为5 。实验考察了以d m f 和d m s o 作为共溶剂对产物的区域选择性和立体选择性的 影响，结果表明以d m f 作为共溶剂时，巴色值从8 7 增加到9 1 ，但产率由8 5 下降到 4 2 ，用d m s o 作为共溶剂，e e 值达到9 7 ，产率维持在7 4 ，认为d m s o 中的硫原子 改变了酵母不对称还原反应中对映异位面的识别。 7 人 江南大学硕士学位论文 i2 c s - 3 纳研，3 a ：r = h , b ：r = o m e , c ：r = b r , d ：r _ n 乙夕, e ：r = n h 2 厂弋 图1 1 5 酵母细胞催化还原1 ，2 二羰基苊 f i g 1 1 5r e d u c t i o no f a c e n a p h t h y l e n e 一1 ，2 一d i o n e sb yb a k e r sy e a s t l i 等 3 6 】考察了在酵母不对称还原芴酮衍生物的体系中添加有机溶剂对底物的转化 率和e e 值的影响，比较了乙醇、乙二醇二甲醚、t h f 、乙腈、d m f 和d m s o 以及无添 加剂的反应体系，结果表明添力h d m s o 对提高底物的转化率和产物的e 以值有明显的促进 作用，认为d m s o 可能对酵母细胞中的r 型还原酶和s 型还原酶的活性有不同的影响。在 d m s o 为共溶剂的反应体系中，得到了r 构型的产物，产物符合“反p r e l o g 规则”。底物a 、 b 、c 的p e 值大于9 9 ，d 、e l s e e 值分别为6 5 和5 2 ，见图1 1 6 。 r b a l 【e r - sy e a s t a ：r - - 4 2 l b ：r = b r r c ：r 2 i d ：r = f e ：r - - c h 3 图l 1 6 酵母细胞催化还原芴酮衍生物 f i g 1 - 1 6r e d u c t i o no f s u b s t i t u t e df l u o r e n o n e sb yb a k e r sy e a s t l i u 等【3 7 】用面包酵母为催化剂在有机溶剂中还原芳香酮，得到孓苯乙醇，p e 值在 8 2 9 1 之间，研究发现反应体系