馬海萍，張國艷

(吉林大學(xué)化學(xué)學(xué)院，吉林省長春市 130026)

手性β-羥基酸是一類具有生物活性的重要化合物，存在于一些殺菌劑、殺蟲劑及抗濾過性病原體中，在有機合成中是一種重要的基礎(chǔ)物質(zhì)，同時在食品、醫(yī)藥和化妝品等方面也有重要作用。手性β-羥基酸除了可以合成很多抗炎、抗菌類藥物外，作為起始物質(zhì)還可合成維生素、抗生素和信息素等多種化合物。手性β-羥基酸本身作為藥物也具有很大價值，可以治療多種疾病，有研究表明其對老年癡呆癥及帕金森病的治療都具有療效［1］;同時，它還是生物可降解塑料PHA(聚羥基脂肪酸酯)的組成單體［2］。因此人們試圖尋找多種方法來合成手性β-羥基酸。本文從化學(xué)法和生物法兩個方面系統(tǒng)地總結(jié)了手性β-羥基酸的合成方法，并通過分析和比較各種方法的優(yōu)缺點，對合成手性β-羥基酸的發(fā)展前景進行了展望。

1 化學(xué)法

1.1 直接合成法

目前采用化學(xué)試劑直接合成手性β-羥基酸的方法已有很多種，比如:不對稱催化氫化反應(yīng)、還原反應(yīng)，Reformatsky反應(yīng)等等。

1.1.1 不對稱催化氫化

Noyori等［3］利用改良的Ru復(fù)合催化劑，在氫氣作用下對3-酮酸(酯)進行選擇性氫化還原，在醇溶劑中得到光學(xué)純對映異構(gòu)體，(R)-3-羥基脂肪酸的對映體過量值(ee)大于99%(見圖1)。

圖1 Ru催化的不對稱氫化

此反應(yīng)在丙酮的水溶液中也能進行，因為丙酮的氫化是遲鈍的，而結(jié)構(gòu)復(fù)雜的β-酮酸酯卻易氫化。具有此反應(yīng)活性的反應(yīng)物還有一些帶有二烴氧基、羥基、烷氧基、鹵素及烷氧羰基的酮。此不對稱氫化反應(yīng)已應(yīng)用于多種重要的手性藥物的合成，如:抗菌試劑左旋氧氟沙星［4-5］。另外，Nakahata 等［6］采用改進的阮內(nèi)鎳(RR-TA-NaBr-MRNi)為催化劑，通過對3-烷酸甲酯對應(yīng)表面的選擇性氫化，合成了光學(xué)純3-羥基脂肪酸。此法優(yōu)點在于催化劑制備簡單且用量少，反應(yīng)步驟少，通過催化氫化和重結(jié)晶可合成不同鏈長的3-羥基脂肪酸(ee＞97%)。隨后，Jaipuri等［7］又提出借助微波輻射技術(shù)，用(S)-3-羥基-γ-丁內(nèi)酯作為底物，加入甲酸銨鹽作為氫的提供者，10%Pd-C為催化劑制備β-羥基脂肪酸，大大縮短了反應(yīng)時間。

1.1.2 不對稱還原

Wang等［8］以 DIP-Cl為還原劑，通過控制周圍的化學(xué)基團，將β-氧代羧酸轉(zhuǎn)化為具有單一對映異構(gòu)體的β-羥基脂肪酸，β-羧基取代類型對反應(yīng)中的鄰基效應(yīng)有重要作用。DIP-Cl作為催化劑還可進行分子內(nèi)還原，Ramachandran等［9］采用β-酮酸為底物，通過DIP-Cl試劑進行分子內(nèi)還原，然后在H2O2的作用下，反應(yīng)32 h，獲得β-羥基脂肪酸，產(chǎn)物產(chǎn)量75%，手性HPLC確定對映體過量值(ee)為92%。

為滿足實際生產(chǎn)需要，Guaragna等［10］還研究了一種大量生產(chǎn)β-羥基脂肪酸的方法，以經(jīng)濟簡單的原料出發(fā)，合成了(R)-3-羥基癸酸(見圖2)，全程產(chǎn)量都較高。

圖2 (R)-3-羥基癸酸的合成

1.1.3 Reformatsky反應(yīng)

制備β-羥基酸時，Reformatsky反應(yīng)是一種非常好的方法。Parrish 等［11］采用 Cp2TiCl(Nugent′s試劑)為催化劑，利用Reformatsky反應(yīng)，生成產(chǎn)量較高的β-羥基脂肪酸(見圖3)。此催化劑性質(zhì)穩(wěn)定，反應(yīng)生成的副產(chǎn)物為錳及鈦的鹽類，毒性小且容易除去。

圖3 Cp2TiCl為催化劑的Reformatsky反應(yīng)

Fernandez-Ibanez等［12-13］利用 BINOL 衍生物，Me2Zn及鹵代乙酸乙酯為親核試劑，在空氣中反應(yīng)制備手性β-羥基脂肪酸。實驗討論了溫度及BINOL衍生物的類型對反應(yīng)的影響。結(jié)果表明在室溫條件下，使用BINOL衍生物(S)-L2，反應(yīng)的效果最好。實驗過程中還發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)物醛(酮)的滴加速度對反應(yīng)結(jié)果也有影響，推測是由于親電試劑的加入對Me2Zn的氧化引起的，因此實驗調(diào)整為將親電試劑(醛或酮)分批加入，實驗取得很好的效果(見圖4)。

圖4 BINOL衍生物催化的Reformatsky反應(yīng)

化學(xué)不對稱合成手性β-羥基脂肪酸是比較傳統(tǒng)的方法，但其通常需要高溫、高壓的反應(yīng)條件，還需使用昂貴的手性金屬催化劑，這些金屬催化劑不容易除去，產(chǎn)物的產(chǎn)量也比較低。因此難以實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。

1.2 化學(xué)水解法

在化學(xué)法中，除了直接化學(xué)合成手性β-羥基酸外，也可采用化學(xué)法水解聚合物的方式來實現(xiàn)。化學(xué)水解法即使用硫酸、鹽酸等強酸，催化水解相應(yīng)的聚酯，得到手性β-羥基酸的方法。

Lee等［14］從細菌細胞中提取手性聚β-羥基脂肪酸，用氫氧化鈉簡單純化后，利用氯化氫水解，得到較高純度的β-羥基脂肪酸。De Roo等［15］利用惡臭假單胞菌KT2442合成的聚酯PHA為原料，經(jīng)催化反應(yīng)及手性氣相色譜分析，最終得到對映體選擇性(ee)為99.9% 的R型對映體。

2 生物法

生物催化是指以酶或者細胞為生物催化劑進行的反應(yīng)，包括基因工程菌直接合成法、生物轉(zhuǎn)化法及酶降解法。生物催化法的優(yōu)點很多:操作簡單，化學(xué)及區(qū)域選擇性強，反應(yīng)條件溫和，因此可避免在極端條件下引起的異構(gòu)化、外消旋化、差異構(gòu)化等問題。由于生物催化法有著化學(xué)法無法比擬的優(yōu)點，因此越來越受到人們的重視。

2.1 基因工程菌直接合成法

近年來，隨著研究的深入，利用代謝工程的方法構(gòu)建基因工程菌來直接生產(chǎn)手性β-羥基酸已經(jīng)成為可能，并且生產(chǎn)效率也不斷提高。Wu等［16］利用基因工程技術(shù)直接生產(chǎn)手性β-羥基脂肪酸，他們構(gòu)建了含有β-酮基硫解酶基因(phbA)和乙酰乙酰輔酶A還原酶基因(phbB)的重組大腸桿菌，phbA及phbB基因在大腸桿菌(E.coli)HB101中的表達使得3-羥基丁酸酯(R3HB)在細胞外積聚，經(jīng)過48 h的發(fā)酵培養(yǎng)，生產(chǎn)出了多于1g/L的R3HB。雖然產(chǎn)率不是很高，但卻證明了在沒有PHA生產(chǎn)細胞的情況下仍然可以生產(chǎn)HA單體。另外他還將惡臭假單胞菌的3-羥基脂酰-?；d體蛋白-輔酶A?；D(zhuǎn)移酶基因(phaG)克隆到(E.coli)HB101中，直接合成了3-羥基癸酸酯(R3HD)。以果糖作為碳源時，產(chǎn)率可達587 mg/L。

為了提高產(chǎn)率，Liu［17-18］及 Gao 等［19］構(gòu)建了一種不僅含有β-酮基硫解酶基因(phbA)和乙酰乙酰輔酶A還原酶基因(phbB)，而且還帶有磷酸丁酰轉(zhuǎn)移酶基因(ptb)和丁酸激酶基因(buk)的大腸桿菌E.coli DH5a，在發(fā)酵48 h后，R3HB產(chǎn)率達到12 g/L，過程如圖5［20］;同時，Lee 等［21］構(gòu)建的大腸桿菌E.coli BL21(DE3)產(chǎn)率最高可達20 g/L，滿足了經(jīng)濟生產(chǎn)的需要。

圖5 基因工程菌直接生產(chǎn)手性β-羥基脂肪酸的代謝過程

同樣利用大腸桿菌，Zheng等［22］構(gòu)建的含有Ⅱ型硫酯酶(TesBⅡ)基因及3-羥基脂酰—?；d體蛋白—輔酶A?；D(zhuǎn)移酶(PhaG)基因，這兩種基因的表達是相互控制的，以果糖或葡萄糖為碳源時，都可以產(chǎn)出R3HD。含有TesBⅡ基因的惡臭假單胞菌也可以從糖類物質(zhì)中生產(chǎn)出R3HD［23］。另外，Zheng等［24］還研究了抑制劑對3HD產(chǎn)率的影響，結(jié)果表明，抑制劑的加入可使產(chǎn)率提高20% ～40%。

2.2 生物轉(zhuǎn)化法

生物轉(zhuǎn)化法是指利用一些酶來轉(zhuǎn)化生產(chǎn)手性β-羥基脂肪酸的方法。生物轉(zhuǎn)化法的反應(yīng)條件溫和，并且可以直接選擇性的得到單一手性產(chǎn)物。

利用一些細菌的還原酶來制備手性β-羥基酸，它的立體選擇性高，但反應(yīng)步驟復(fù)雜，成本較高。Hann等［25］發(fā)現(xiàn)在生物轉(zhuǎn)化生產(chǎn)β-手性羥基酸時，用紅球菌的腈水合酶和酰胺酶的聯(lián)合雙酶體系比單獨的腈水解酶的活性要高。他利用這種雙酶體系，將3-羥基戊腈轉(zhuǎn)化為3-羥基戊酸，產(chǎn)率為99% ～100%。

采用拆分來得到單一的對映體也是生物轉(zhuǎn)化法的一種重要的方式，是目前合成手性物質(zhì)的主要途徑。但其首先需要合成外消旋物的目標(biāo)產(chǎn)物，并且單次拆分的最高產(chǎn)率不超過50%。

合成β-羥基脂肪酸或酯外消旋體的方法很多，例如:徐忠［26］以國產(chǎn) C10-C18混合脂肪酸為原料，在金屬Li的作用下，利用全鋰法及鋰鹽法合成了相應(yīng)的β-羥基脂肪酸，為羥基酸的合成提出了一種新的方法。隨后他又以國產(chǎn)C8-C10混合脂肪酸為原料，合成了相應(yīng)的β-羥基脂肪酸化合物。反應(yīng)條件適中，產(chǎn)率較高，產(chǎn)物純度大于97%［27］。另外，利用Reformatsky反應(yīng)來合成β-羥基酸或酯的研究報道有很多，實驗取得不錯的結(jié)果。合成外消旋體后就需要拆分，由于化學(xué)拆分劑價格昂貴，且過程復(fù)雜，因此我們通常選用生物酶來拆分。酶的種類很多，并且很多酶可以通過多種方式固定化和重復(fù)使用多次，經(jīng)濟有效。在催化不對稱合成β-羥基酸時，脂肪酶是一種很好的催化劑，它的性質(zhì)穩(wěn)定，可適用的底物多，并且具有較高的立體選擇性。Hayes等［28］就曾討論過脂肪酶在催化合成β-羥基酸時的活性，文中報道了溫度，水含量，底物濃度及脂肪酶的種類對合成反應(yīng)的影響。Nascimento等［29］首先利用Baylis-Hillman(BH)反應(yīng)合成β-羥基酸的外消旋體(見圖6)。

圖6 Baylis-Hillman反應(yīng)合成β-羥基脂肪酸

然后分別使用固定化與不固定化的脂肪酶PSL，催化立體選擇酯轉(zhuǎn)化，得到光學(xué)純的兩個構(gòu)型產(chǎn)物(見圖7)。實驗還探索了不同的反應(yīng)條件，如底物結(jié)構(gòu)、溶劑、?；噭┖蜁r間等因素對反應(yīng)的影響。

圖7 PSL催化立體選擇酯轉(zhuǎn)化拆分

2.3 酶降解法

在許多的細菌內(nèi)，聚羥基酸作為碳源和能源的儲存物質(zhì)而存在。所有的PHA單體都是純R型對映體，且反應(yīng)條件溫和，因此利用生物酶降解法來制備手性羥基脂肪酸是一種非常有效的方法。

Ren等［30］把含有PHA的惡臭假單胞菌懸浮于不同pH值的磷酸緩沖液中，發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)PHA降解和單體釋放的最佳pH值為11，經(jīng)過固相萃取和液相色譜的分離純化，β-手性羥基脂肪酸的產(chǎn)率達到90%。比以往報道［31］的 (9.7%)要高很多。Lee等［32］將羅氏真氧菌的PHA合成操縱子和細胞內(nèi)PHA降解酶移入大腸桿菌，通過雙質(zhì)粒體系，以葡萄糖為碳源，生產(chǎn)出手性β-羥基脂肪酸，產(chǎn)量為49.5%。

3 展望

手性β-羥基酸的合成方法主要是化學(xué)法和生物法，化學(xué)法的條件苛刻，成本較高，因此不能得到廣泛應(yīng)用。生物法具有很多的優(yōu)點，近年來也已取得長足的發(fā)展。但生物催化劑的立體選擇性一定程度上會受到底物的影響。對某種底物來說，篩選出合適催化劑也是一項費時費力的事情。隨著人們對其研究的不斷深入，各種方法將逐漸成熟，努力降低每一種方法的成本并尋找更經(jīng)濟的新方法將是未來人們合成手性β-羥基脂肪酸所要著手解決的重點。

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