專利名稱:以酵母為基礎(chǔ)生產(chǎn)l-pac的工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用于合成多種產(chǎn)品尤其是藥物化合物的有機化合物前體。本發(fā)明方法在超臨界流體或液化氣體存在下使用酵母-介導(dǎo)的催化作用,具體地說是酵母介導(dǎo)的丙酮酸鹽(pyruvate)與取代芳香醛間的縮合反應(yīng),得到相應(yīng)的醇酮(acyloin)(羥基酮)化合物。在一個優(yōu)選實施方案中,丙酮酸鹽與苯甲醛反應(yīng)得到高對映體純度的苯乙酰甲醇,即麻黃堿的前體。
背景技術(shù):
生產(chǎn)對映體純化合物的物理化學(xué)方法通常包括多步合成步驟,同時還需一步或多步的不對稱且繁復(fù)的純化步驟。這些方法不僅耗時而且產(chǎn)率較低。可由某些對映體純的起始物,進(jìn)行對映選擇性(enantioselective)反應(yīng)步驟;然而,市售化合物中符合要求的這種純起始原料很少。
為了克服采用常規(guī)有機化學(xué)品時出現(xiàn)問題,已對生物系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究。這種系統(tǒng)在反應(yīng)中顯示了高度的立體選擇性,因此已對可與許多反應(yīng)物完成特定反應(yīng)步驟的微生物、酶或化學(xué)酶反應(yīng)進(jìn)行了研究。例如,多種微生物被建議用來合成3-羥基丙酸的光學(xué)活性α-取代衍生物,這些衍生物可用作化合物例如α-生育酚、麝香酮和藥物、殺蟲劑和農(nóng)業(yè)化學(xué)藥品合成的中間體(US4734367,Hoffman-La Roche公司)。大多數(shù)這類方法采用在水性介質(zhì)中的全細(xì)胞發(fā)酵系統(tǒng)或者具有特定所需活性的分離酶。然而,發(fā)酵系統(tǒng)存在缺點,例如比較難于對所需產(chǎn)物進(jìn)行純化且產(chǎn)率降低;采用固化細(xì)胞或者經(jīng)選擇或遺傳修飾的細(xì)胞,可提高產(chǎn)率和反應(yīng)的便利性,但是這顯著提高了生產(chǎn)成本。使用純化酶通常相當(dāng)昂貴,但是不采用固定化酶則會使產(chǎn)率降低且難于純化。
近年來對此進(jìn)行了深入研究,試圖開發(fā)出具有高選擇性、高轉(zhuǎn)化率且產(chǎn)物無需色譜分離和純化的方法。通常這種反應(yīng)需在有機溶劑中進(jìn)行,因為這利于進(jìn)行大規(guī)模反應(yīng)和純化。
干面包酵母可影響有機溶劑(例如己烷或苯)中α-酮酯的非發(fā)酵還原,以產(chǎn)生具有較高產(chǎn)率和選擇性的相應(yīng)α-羥基酯(Nakamura等,1988;Nakamura等,1990;Nakamura等,1991;Nakamura等,1993);也有人證實了石油醚、二乙醚、甲苯、四氯化碳和汽油中的β-酮酯還原(Jayasinghe等,1993;Jayasinghe等,1994;North,1996)。盡管最初認(rèn)為,對于催化反應(yīng)所用的脫氫酶和還原酶而言,酵母的固定(例如在聚氨酯中)是保持細(xì)胞膜結(jié)合輔酶穩(wěn)定性所必須(Nakamura等,1988;Nakamura等,1990),但后來發(fā)現(xiàn)向有機系統(tǒng)中加入少量水則不再需要固定(Nakamura等,1991)。
最初從麻黃屬植物中分離出來的麻黃素(α-[1-(甲氨基)乙基]苯-甲醇),以天然異構(gòu)體1-麻黃素、d-偽麻黃素以及其他藥理活性異構(gòu)體(包括d-麻黃素和1-偽麻黃素)的形式存在。這些化合物是腎上腺素能擬交感神經(jīng)劑并具有抗組胺活性;1-麻黃素廣泛用作支氣管擴張藥,而d-偽麻黃素用作解充血劑(decongestant)。許多處方和非處方藥物制劑中均含有這類化合物。
采用水性介質(zhì)中的全面包酵母細(xì)胞催化方法生產(chǎn)1-苯乙酰甲醇(1-麻黃素前體),是一種商業(yè)首選的微生物生物轉(zhuǎn)化方法(Neuberg和Hirsch,1921;也可參見Hildebrandt和Klavehn,1934)。該反應(yīng)涉及酵母-誘導(dǎo)的苯甲醛與乙酰輔酶A縮合。已對該方法進(jìn)行了廣泛的研究,并證明它可被丙酮酸脫羧酶介導(dǎo)(Groger,Schmander和Mothes,1966)。研究表明該反應(yīng)對底物有相對廣譜的特異性,可以使許多取代芳香醛轉(zhuǎn)化成具有光學(xué)活性的相應(yīng)取代苯乙酰甲醇(Long,James和Ward,1989)。
盡管廣泛利用這種酵母-催化的系統(tǒng),但是它通常采用不便于大規(guī)模萃取和純化的水性系統(tǒng),這種酵母催化系統(tǒng)需要采用有機溶劑。另外,發(fā)酵系統(tǒng)存在缺點,例如所需產(chǎn)物的純化比較困難且產(chǎn)率降低;采用固化細(xì)胞或者經(jīng)選擇或遺傳修飾的細(xì)胞,可提高產(chǎn)率和反應(yīng)的便利性,但是這顯著提高了生產(chǎn)成本。使用純化酶通常相當(dāng)昂貴,但是不采用固定化酶則會使產(chǎn)率降低且難于純化。
在我們的早期國際申請PCT/AU99/00433中,我們公開了采用非發(fā)酵酵母在有機溶劑中進(jìn)行酵母介導(dǎo)的苯甲醛醇酮縮合。向反應(yīng)混合物中加入少量乙醇和降低反應(yīng)溫度,可抑制副產(chǎn)物的形成。采用有機溶劑會產(chǎn)生與毒性有關(guān)的問題,例如職業(yè)保健和安全性問題,同時也存在易燃性和廢料的處理/再循環(huán)問題。
我們驚奇地發(fā)現(xiàn),可在超臨界或液化二氧化碳或液化石油氣中進(jìn)行酵母介導(dǎo)的苯香醛的醇酮縮合(acyloin condensation)。該反應(yīng)使芳香醛向所需甲醇轉(zhuǎn)化的轉(zhuǎn)化率增高。在一個優(yōu)選實施方案中,采用本發(fā)明方法所得的產(chǎn)率約為79%,且沒有副產(chǎn)物。
更令人驚奇的是,液態(tài)或超臨界形式的二氧化碳會鈍化還原反應(yīng),這樣就抑制了副產(chǎn)物的形成。
由于二氧化碳無毒且利于回收,該方法避免了與包含有機溶劑的反應(yīng)有關(guān)的問題。
也可采用其他超臨界流體,但是它們在未加抑制劑時可能無法抑制副產(chǎn)物的形成,并且可能沒有同樣的環(huán)保優(yōu)勢。
發(fā)明簡述第一方面,本發(fā)明提供取代或者未取代甲醇化合物的合成方法,包括以下步驟在(a)超臨界流體,或者(b)液化氣體的存在下,將相應(yīng)的取代或者未取代芳香醛進(jìn)行酵母介導(dǎo)的醇酮縮合,并回收甲醇化合物。
可采用任何能產(chǎn)生醇酮縮合反應(yīng)的酵母。采用最便宜的市售酵母和普通的面包酵母、優(yōu)選為釀酒酵母(saccharomyces cerevisiae),可降低生產(chǎn)成本。也可采用其他用途的酵母菌株,這包括釀造酵母和葡萄酒或雪利酒酵母??刹捎锰貏e適于超臨界流體環(huán)境或者能提高醇酮縮合效率的菌株;這種菌株包括通過常規(guī)方法選擇和遺傳修飾的菌株。
為了獲得最大的反應(yīng)效率,可將酵母與反應(yīng)物保持最大表面積的接觸。這可采用活性”干酵母完成,其市售產(chǎn)品為″速干酵母”,并可在室溫貯藏。另外,可采用粉碎的干面包酵母。也可采用其他酵母,例如US4734367中描述的酵母,或者例如Chenevert等(1992)公開的真菌。按在此描述的方法,本領(lǐng)域技術(shù)人員會很容易地確定適于本發(fā)明目的的任何特定生物體。
超臨界流體可以是臨界溫度低于50℃的任何適宜超臨界流體。
當(dāng)在適當(dāng)提高溫度(適宜的地為33-42℃,優(yōu)選35℃)條件下進(jìn)行反應(yīng)時,我們發(fā)現(xiàn)二氧化碳特別適宜。在這些溫度下,相應(yīng)的壓力為1500-2500磅/平方英寸(psi),優(yōu)選為1500psi。
其他適宜的已知超臨界流體,例如
當(dāng)在超臨界流體下進(jìn)行縮合時,可經(jīng)超臨界流體或有機溶劑例如乙酸乙酯或二乙醚萃取,從反應(yīng)混合物中回收甲醇化合物。
液化氣體可以是二氧化碳、碳?xì)浠衔?例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、乙烯等),或者它們的混合物。也可采用液化石油氣。
采用在此描述的方法,本領(lǐng)域技術(shù)人員會容易地確定適于本發(fā)明目的的特定超臨界流體,并確定反應(yīng)的適宜溫度和壓力。
本領(lǐng)域技術(shù)人員也會容易地確定能有效抑制副產(chǎn)物形成的特定超臨界流體或液化氣體,并能決定是否需要加入適宜的抑制劑。我們的在先國際申請PCT/AU99/00433中論述了乙醇為適宜的抑制劑。
當(dāng)酵母介導(dǎo)的反應(yīng)完成時,將系統(tǒng)脫氣并用超臨界流體或有機溶劑萃取酵母。
在一個優(yōu)選實施方案中,本發(fā)明提供了苯甲醛經(jīng)酵母介導(dǎo)轉(zhuǎn)化成苯乙酰甲醇的方法,即按下述反應(yīng)
很容易理解的是,苯甲醛、丙酮酸或者兩者均可任選被取代,并且丙酮酸鹽例如丙酮酸鈉可替換丙酮酸。另外,如果超臨界流體或液化氣體不是二氧化碳,則可采用能原位轉(zhuǎn)化成丙酮酸的丙酮酸前體例如乳酸。經(jīng)烷基、芳基、鹵素、硝基、氫氧基、烷氧基、氨基、羰基、硫氧基或硫代烷氧基或其組合取代的芳香醛也可用來替換苯甲醛。
對于丙酮酸鈉或丙酮酸,丙酮酸鹽/檸檬酸鹽緩沖溶液的pH優(yōu)選為5-6,更優(yōu)選為pH6。優(yōu)選采用0.6-1.2ml緩沖液/g酵母,以達(dá)到最佳效果。
酵母與底物的比例范圍取決于具體的系統(tǒng),這很容易經(jīng)常規(guī)實驗和誤差方法確定,我們發(fā)現(xiàn)4.2g酵母/mmol苯甲醛的比例可獲得最佳的苯乙酰甲醇轉(zhuǎn)化率;提高酵母用量會使轉(zhuǎn)化率有所增加,較低的酵母用量提供較低的轉(zhuǎn)化率。
同樣地,最佳反應(yīng)時間也很容易確定,我們對苯甲醛-苯乙酰甲醇系統(tǒng)的反應(yīng)時間(3-24小時)進(jìn)行了考察。反應(yīng)時間超過24小時并不會導(dǎo)致更高的產(chǎn)率。
本發(fā)明反應(yīng)方法明顯快于已有方法,甚至快于那些也使用了酵母的方法。該方法中所用的超臨界流體或液化氣體可以回收利用?;厥盏慕湍?尤其是采用二氧化碳為流體或氣體時)可用于其他目的,例如用作動物飼料。
發(fā)明詳述下面的非限定性實施例將對本發(fā)明作詳細(xì)描述。
實施例1采用丙酮酸鈉的酵母介導(dǎo)的苯甲醛醇酮縮合將苯甲醛(0.010g,0.1mmol)、丙酮酸鈉(0.205g)、面包酵母(0.415g)和檸檬酸鹽緩沖液(0.415ml,pH6)置于15ml不銹鋼容器中。經(jīng)HPLC泵將無水液態(tài)二氧化碳泵入容器,將容器加壓至2000psi,并于33℃水浴中攪拌24小時。然后將反應(yīng)容器冷卻至室溫和緩慢脫氣。用二乙醚將容器內(nèi)容物和殘余物洗滌3次并過濾。
氣相色譜分析表明形成了82%的苯乙酰甲醇。
混合物用徑向色譜法提純(石油醚∶二乙醚(70∶30))得到純1-PAC。D=-377.7(c=0.006,CHCl3)1H NMR(CDCl3)δ7.30-7.55,m,Ph;δ5.15,s,CH;δ2.10,s,CH3。
實施例2
采用丙酮酸鈉的酵母介導(dǎo)的苯甲醛醇酮縮合將苯甲醛(0.010g,0.1mmol)、丙酮酸鈉(0.205g)、面包酵母(0.415g)和檸檬酸鹽緩沖液(0.415ml,pH6)置于15ml不銹鋼容器中。經(jīng)HPLC泵將無水液態(tài)二氧化碳泵入容器,將容器加壓至2000psi,并于33℃水浴中攪拌4小時。然后將反應(yīng)容器冷卻至室溫和緩慢脫氣。用二乙醚將容器內(nèi)容物和殘余物洗滌3次并過濾。
氣相色譜分析表明62%轉(zhuǎn)化成苯乙酰甲醇。
混合物用徑向色譜法提純(石油醚∶二乙醚(70∶30)),得到純1-PAC。D=-377.7(c=0.006 CHCl3)文獻(xiàn)[α]D=-408.7(c=1.1CHCl3)Takeshita,M.和Sato,T.,Chem.Pharm.Bull.1989,37,1085。
1H NMR(CDCl3)δ7.30-7.55m,Ph;δ5.15,s,CH;δ2.10,s,CH3。
在不同溫度和壓力下進(jìn)行上述反應(yīng)4小時,得到以下轉(zhuǎn)化率的1-PAC
實施例3比較數(shù)據(jù)以下為超臨界流體系統(tǒng)(采用二氧化碳)與我們在先申請公開的有機溶劑系統(tǒng)間的比較。
實施例4在超臨界二氧化碳中反應(yīng)將苯甲醛(0.137g,1.3mmol)、丙酮酸鈉(2.168g,19.7mmol)、檸檬酸鹽緩沖液(5.4ml,pH6)和酵母(5.4g)和置于250ml不銹鋼壓力容器中。將無水液態(tài)二氧化碳泵入容器,將容器加壓至1500psi。然后將容器于35℃水浴中攪拌3小時。3小時后,將反應(yīng)容器冷卻至室溫和緩慢脫氣。用二乙醚將容器內(nèi)容物和殘余物洗滌3次并過濾。氣相色譜分析表明84%轉(zhuǎn)化成苯乙酰甲醇。手性氣相色譜(GC)分析表明比例為87∶13,74%ee。
1H NMR(CDCl3)δ7.30-7.55,m,Ph;δ5.15,s,CH;δ2.10,s,CH3。
實施例5在液態(tài)二氧化碳中反應(yīng)將苯甲醛(0.137g,1.3mmol)、丙酮酸鈉(2.1685g,19.7mmol)、檸檬酸鹽緩沖液(5.4ml,pH6)和酵母(5.4g)和置于250ml不銹鋼壓力容器中。將無水液態(tài)二氧化碳泵入容器,將容器加壓至1500psi。然后將容器于35℃水浴中攪拌3小時。3小時后,將反應(yīng)容器緩慢脫氣。用二乙醚將容器內(nèi)容物和殘余物洗滌3次并過濾。氣相色譜分析表明84%轉(zhuǎn)化成苯乙酰甲醇。手性GC分析表明比例為95∶5,90%ee。
實施例6采用丙酮酸的酵母介導(dǎo)的苯甲醛醇酮縮合(a)在超臨界二氧化碳中反應(yīng)將苯甲醛(0.137g,1.3mmol)、酵母(5.4g)加上丙酮酸(0.216g,2.45mmol)與水(5.4ml)的混合物(用醋酸銨緩沖至pH=5.45)置于250ml不銹鋼壓力容器中。將無水液態(tài)二氧化碳泵入容器,將容器加壓至1500psi。然后將容器于35℃水浴中攪拌3小時。3小時后,將反應(yīng)容器冷卻至室溫并緩慢脫氣。用二乙醚將容器內(nèi)容物和殘余物洗滌3次并過濾。氣相色譜分析表明44%轉(zhuǎn)化成苯乙酰甲醇。手性GC分析表明比例為96∶4,92%ee。
(b)在液態(tài)二氧化碳中反應(yīng)將苯甲醛(0.137g,1.3mmol)、酵母(5.4g)加上丙酮酸(0.216g,2.45mmol)與水(5.4ml)的混合物(用醋酸銨緩沖至pH=5.45)置于250ml不銹鋼壓力容器中。將無水液態(tài)二氧化碳泵入容器,將容器加壓至1500psi。然后將容器于35℃水浴中攪拌3小時。3小時后,將反應(yīng)容器緩慢脫氣。用二乙醚將容器內(nèi)容物和殘余物洗滌3次并過濾。氣相色譜分析表明51%轉(zhuǎn)化成苯乙酰甲醇。手性GC分析表明比例為97∶3,94%ee。
(c)在液化石油氣中反應(yīng)將苯甲醛(0.137g,1.3mmol)、酵母(5.4g)加上丙酮酸(0.216g,2.45mmol)與水(5.4ml)的混合物(用醋酸銨緩沖至pH=5.45)置于250ml不銹鋼壓力容器中。將液化石油氣(LPG)泵入容器,將容器加壓至100psi。然后將容器于室溫攪拌24小時。24小時后,將反應(yīng)容器緩慢脫氣。用二乙醚將容器內(nèi)容物和殘余物洗滌3次并過濾。氣相色譜分析表明12%轉(zhuǎn)化成苯乙酰甲醇。
(d)反應(yīng)加有乙醇的液化石油氣中反應(yīng)將苯甲醛(0.137g,1.3mmol)、酵母(5.4g)、乙醇(0.54ml)加上丙酮酸(0.216g,2.45mmol)與水(5.4ml)的混合物(用醋酸銨緩沖至pH=5.45)置于250ml不銹鋼壓力容器中。將LPG泵入容器,將容器加壓至100psi。然后將容器于室溫攪拌24小時。24小時后,將反應(yīng)容器緩慢脫氣。用二乙醚將容器內(nèi)容物和殘余物洗滌3次并過濾。氣相色譜分析表明14%轉(zhuǎn)化成苯乙酰甲醇。
(e)用超臨界二氧化碳萃取苯乙酰甲醇于2009psi壓力和40℃溫度下,用二氧化碳對在二氧化碳中反應(yīng)形成的典型反應(yīng)混合物萃取10分鐘。經(jīng)氣相色譜分析表明苯乙酰甲醇已成功地從最初反應(yīng)混合物中分離出來。
對本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚的是,在此所做作的詳細(xì)描述旨在闡明和領(lǐng)會本發(fā)明,那些針對在此所述的實施方案和方法所作的改進(jìn)和變化,并不偏離本說明書所公開的發(fā)明范疇。
以下列出了在此所引用的參考,全部引入作為參考。
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權(quán)利要求
1.一種合成取代或者未取代甲醇化合物的方法,包括在(a)超臨界流體,或者(b)液化氣體存在下,將相應(yīng)的取代或者未取代芳香醛進(jìn)行酵母介導(dǎo)的酮醇縮合并回收甲醇化合物的步驟。
2.如權(quán)利要求1的方法,其中酵母為釀酒酵母。
3.如權(quán)利要求1或2的方法,其中酵母特別適用于超臨界流體環(huán)境或者用于提高醇酮縮合的效率。
4.如權(quán)利要求1-3之一的方法,其中酵母與反應(yīng)物保持最大表面積的接觸。
5.如權(quán)利要求1-4之一的方法,其中所述縮合在一種或多種液化氣體存在下進(jìn)行,其中液化氣體選自二氧化碳、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丁烷和液化石油氣。
6.如權(quán)利要求1-4之一的方法,其中縮合在超臨界流體存在下進(jìn)行,并用超臨界流體或有機溶劑萃取反應(yīng)混合物來回收甲醇化合物。
7.如權(quán)利要求5的方法,其中超臨界流體選自二氧化碳、乙烷、一氧化二氮、氙、三氟甲烷、一氟甲烷、六氟化硫和氯三氟甲烷。
8.如權(quán)利要求7的方法,其中超臨界流體為二氧化碳。
9.如權(quán)利要求8的方法,其中縮合在33-42℃的溫度下進(jìn)行。
10.如權(quán)利要求9的方法,其中縮合在35℃的溫度下進(jìn)行。
11.如權(quán)利要求8-10之一的方法,其中縮合在1500-2500psi的壓力下進(jìn)行。
12.如權(quán)利要求9的方法,其中縮合在2500psi的壓力下進(jìn)行。
13.如權(quán)利要求1-12之一的方法,其中縮合在副產(chǎn)物形成抑制劑的存在下進(jìn)行。
14.如權(quán)利要求3的方法,其中抑制劑為乙醇。
15.如權(quán)利要求1-14之一的方法,其中芳香醛為苯甲醛且甲醇為苯乙酰甲醇,按如下進(jìn)行反應(yīng) 其中苯甲醛,丙酮酸或兩者均任選被取代。
16.如權(quán)利要求15的方法,其中苯甲醛被一種或多種烷基、芳基、鹵素、硝基、羥基、烷氧基、氨基、羰基、硫氧基或硫代烷氧基基團(tuán)或其組合所取代。
17.如權(quán)利要求15或16的方法,其中丙酮酸鹽/檸檬酸鹽緩沖溶液的pH為5-6。
18.如權(quán)利要求1-17之一的方法,其中將苯甲醛轉(zhuǎn)化為苯乙酰甲醇,采用0.6-1.2ml緩沖液/g,酵母與底物的比例為4.2g酵母/mmol苯甲醛。
19.如權(quán)利要求18的方法,其中反應(yīng)時間為3-24小時。
20.如權(quán)利要求15-19之一的方法,其中超臨界流體不是二氧化碳,并采用可原位轉(zhuǎn)化成丙酮酸的丙酮酸前體。
全文摘要
本發(fā)明提供取代或者未取代甲醇化合物的合成方法,包括以下步驟在(a)超臨界流體或者(b)液化氣體的存在下,將相應(yīng)的取代或者未取代芳香醛進(jìn)行酵母介導(dǎo)的酮醇縮合,并回收甲醇化合物。優(yōu)選酵母是釀酒酵母。在一個特別優(yōu)選實施方案中,芳香醛是苯甲醛,甲醇是苯乙酰甲醇按照反應(yīng)(I)其中苯甲醛、丙酮酸或者兩者均可任選被取代。
文檔編號C12P7/26GK1409768SQ00817089
公開日2003年4月9日 申請日期2000年12月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年12月13日
發(fā)明者安德魯·J·斯莫爾里奇, 莫里斯·A·特里懷拉, 凱利·A·威爾金森 申請人:維多利亞科技大學(xué), 波利奇普醫(yī)藥有限公司