CN101709313B - 有机相中脂肪酶催化合成β-硝基醇类化合物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在有机溶剂中脂肪酶催化合成β-硝基醇类化合物的方法，包括：将硝基烷烃、醛和有机溶剂混合构成反应体系，加入脂肪酶后在20～80℃反应0.5～5小时，每升反应体系中脂肪酶的用量为10000IU～600000IU。本发明方法利用脂肪酶作为催化剂，避免了副反应的发生，与现有的化学合成的方法相比，具有操作简便，反应条件温和，β-硝基醇类化合物的产率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及β-硝基醇类化合物的合成方法领域，尤其涉及一种有机相中脂肪酶催化合成β-硝基醇类化合物的方法。
背景技术
β-硝基醇是有机合成中一类重要的中间体，通过β-硝基醇合成硝基烯烃、2-氨基醇和2-硝基酮，可以用于洛尔类药物(《Tetrahedron Lett.》1993，34，855-858；《Tetrahedron》1994，50，12313-12318)和性外激素(《J.Chem.Soc.，Perkin Trans.1》1991，1419-1421)的合成。此外，β-硝基醇还是合成杀菌剂、杀虫剂、抗生素等具有生物活性物质的原料(《Bull.Chem.Soc.Jpn.》1986，59，1753-1759；《Chem.Lett.》1983，819-822；《Pestic.Sci.》1982，13，557-562)。
Henry反应是有机合成中一种常用的碳-碳键生成反应，也是制备β-硝基醇化合物的有效方法。Trost教授首先利用碱成功地催化了Henry反应(《Science》1985，227，908-916)，随后，一些碱性化合物和碱土金属氧化物被用作Henry反应的催化剂(《Synthesis》1988，833-847；《Tetrahedron》2001，57，915-945)。但是碱催化剂会引起一些副反应，如醛自身的缩合和康尼加罗反应。此外，当反应底物为芳香醛类化合物时，碱性催化剂极易使产物发生消去反应生成硝基烯烃化合物。为了克服碱性催化剂的这些不足，后来发展了一些新颖的催化剂，如铑金属复合物、三烷基氯化硅、LiAlH4等，但是采用这些新颖的催化剂反应过程中需要硝基烷烃大大过量，而且时间长，操作复杂(《Tetrahedron Lett.》1991，32，3225-3228；《Tetrahedron Lett.》1995，36，6531-6534；《J.Org.Chem.》1997，62，425-427)。进而又通过仿生催化，合成了复杂的胺类催化剂(《Synlett》2005，2817-2819；《J.Am.Chem.Soc.》2006，128，732-733)，但这类催化剂结构复杂，制备特别困难且不易得到，同时催化剂的循环使用尚存在问题。
最近，奥地利的Griengl教授报道了第一个生物催化的Henry反应(《Angew.Chem.Int.Ed.》2006，45，3454-3456；《Adv.Synth.Catal.》2007，349，1445-1450)，他们发现来源于Hevea brasiliensis的醇腈裂合酶(HbHNL)在PBS缓冲液/TBME混合溶液中可以催化硝基甲烷和苯甲醛发生Henry反应，经过室温反应48小时后，产率63％，ee值92％。这一开创性的工作，展示了酶催化Henry反应的巨大潜力。但裂合酶来源较少，成本较高，而且该反应时间较长，应用受到限制。因此，研究来源更加丰富的酶来实现快速高效催化Henry反应具有更重要的意义。
脂肪酶就是一种来源丰富的酶，近年的研究发现脂肪酶具有催化多功能性，例如脂肪酶通常催化酯键或者酰胺键的合成和水解，但研究发现脂肪酶还可以催化胺解反应(《Chem.Soc.Rev.》2004，33，201-209)，Diels-Alder(《Angew.Chem.Int.Ed.》2004，43，1407-1410)、羟醛缩合反应(《J.Am.Chem.Soc.》2003，125，874-875)等。其中脂肪酶CAL-B具有催化碳-碳键和碳-氮键Michael加成反应的新功能(《J.Am.Chem.Soc.》2005，127，17988-17989；《Chem.Commun.》2004，1724-1725)；Lou FW etal.还报道了CAL-B催化硫醇与乙烯酯的Markovnikov加成反应等一系列新现象(《Adv.Synth.Catal.》2008，350，1959-1962；《J.Mol.Catal.B：Enz》2009，60，64-68)。上述报道表明，脂肪酶可以作为有机合成反应的催化剂。
发明内容
本发明提供了一种操作简便、反应条件温和、产率高的在有机溶剂中利用脂肪酶催化合成β-硝基醇类化合物的方法。
一种有机相中脂肪酶催化合成β-硝基醇类化合物的方法，包括：将硝基烷烃、醛和有机溶剂混合构成反应体系，加入脂肪酶后在20℃～80℃反应0.5小时～5小时，制得β-硝基醇化合物；其中，每升反应体系中脂肪酶的用量为10000IU～600000IU；1IU＝1个酶活性单位。
作为优选：
所述的硝基烷烃为具有结构式(II)所示结构的化合物，可采用市售产品；
其中，R1为H或甲基；R2为H或甲基。
所述的醛为具有结构式(III)所示结构的化合物，可采用市售产品；
其中，R3为H、甲基、乙基、丙基、异丙基、苯基、对甲基苯基、对甲氧基苯基、对硝基苯基、呋喃基或吡啶基。
所述的具有结构式(II)所示结构的化合物和结构式(III)所示结构的化合物反应生成具有结构式(I)所示结构的氮杂环衍生物即β-硝基醇化合物，具体反应式如下：
式(I)中，R1为H或甲基；
R2为H或甲基；
R3为H、甲基、乙基、丙基、异丙基、苯基、对甲基苯基、对甲氧基苯基、对硝基苯基、呋喃基或吡啶基。
在非水相进行酶催化反应时，油水分配系数即LogP大的疏水溶剂对于酶的活性维持有更好的作用，但疏水溶剂中极性底物的溶解度比较低，而LogP小的强极性溶剂虽然具有好的底物溶解度，却对酶表面的活性水分子具有剥夺作用而易于导致酶活性降低。因此，选用LogP小于5的溶剂或混合溶剂，例如本领域有机合成常用的有机溶剂，既有利于反应底物的溶解，又可以对酶的催化性质具有很好的调节作用。
所述的有机溶剂选自二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二氧六环、丙酮、乙腈、异丙醚、甲基叔丁基醚、叔丁醇、叔戊醇、甲苯、四氢呋喃、乙酸乙酯、正己烷、环己烷、氯仿、二氯甲烷中的一种或者两种。
本发明所述的有机溶剂是无水的，可以采用分子筛、无水硫酸镁等干燥剂干燥或者采用蒸馏、纯化等方法得到无水有机溶剂。
所述的脂肪酶可选用现有技术中通用的脂肪酶，如南极假丝酵母脂肪酶、爪哇白霉脂肪酶或猪胰脂肪酶等，其可以是游离的脂肪酶，如德国Sigma公司生产的爪哇白霉脂肪酶或瑞士Fluka公司生产的猪胰脂肪酶，也可以是固定化的脂肪酶，如丹麦诺维信公司生产的固定化脂肪酶CAL-B。所用酶的活力为10000IU/g。
增加酶的用量可以提高催化效果，但使用过多的酶容易影响酶在反应体系中的分散，不利于底物在酶催化位点的进出，从而阻碍反应发生。因此，本发明选用合适的脂肪酶用量，以利于反应的进行。
每升反应体系中脂肪酶的用量优选为50000IU～600000IU，更优选每升反应体系中脂肪酶的用量为200000IU～500000IU，最优选每升反应体系中脂肪酶的用量为300000IU～400000IU。
脂肪酶的最佳反应温度在30℃～40℃，由于有机溶剂的引入，增加了酶的热稳定性，但是温度过高同样会导致酶活性的丢失，尤其是长时间处于较高温度，也不利于酶活力的保持。因此，本发明将反应温度和时间控制在一个合适的范围内。
所述的反应温度优选40℃～70℃，最优选50℃～60℃，反应时间优选0.5小时～3小时。
所述的硝基烷烃和醛可根据化学反应计量比加入或过量加入，为了降低原料的消耗、节约成本，并进一步提高反应产率，醛在反应体系中的浓度优选为0.2mol/L～2mol/L，硝基烷烃与醛的摩尔比优选为1～6∶1，更优选2～3∶1(出于原料成本考虑，一般硝基烷烃的用量比例可适当加大)。
本发明方法中生成的β-硝基醇类化合物可通过现有的柱层析色谱法或薄层色谱法进行分离纯化。例如采用硅胶或氧化铝作为填料的柱层析，采用本领域常规市售硅胶板的薄层色谱法，洗脱剂或展开剂由石油醚与乙酸乙酯混合组成，其中石油醚与乙酸乙酯的体积比一般为10∶1～1∶1。
本发明采用在有机溶剂中利用脂肪酶作为催化剂，催化硝基烷烃和醛反应制备β-硝基醇类化合物，与现有的化学法相比，本发明方法的操作简便，反应条件温和，有效地避免了消去副反应地发生，实现了β-硝基醇类化合物的高效合成。
具体实施方式
实施例1在无水二甲基亚砜中酶催化合成2-硝基-1-(4-硝基苯基)-丙醇
将151克4-硝基苯甲醛(1mol)和150克硝基乙烷(2mol)加入到经过分子筛除水的二甲基亚砜中形成总体积为11的混合物。然后，添加30克(300000IU)的猪胰脂肪酶，在80℃下反应0.5小时，用液相色谱测定β-硝基醇化合物：采用C18色谱柱，流动相为甲醇水溶液(甲醇与水的体积比为35/65)，流速1ml/min，检测波长210nm，产率为78％。产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下：
1H NMR(CDCl3，δ，ppm)：8.26-8.23(m，2H)，7.60-7.57(m，2H)，5.55-5.54，5.20-5.17(m，1H)，4.78-4.69(m，1H)，3.08-3.03(d，1H，J 2.1Hz)，1.487-1.471，1.387-1.370(d，3H，J 3.3Hz).
上述结果表明合成产物为2-硝基-1-(4-硝基苯基)-丙醇。
实施例2在无水二甲基亚砜中酶催化合成2-硝基-1-(4-硝基苯基)-乙醇
将151克4-硝基苯甲醛(1mol)和122克硝基甲烷(2mol)加入到经过分子筛除水的二甲基亚砜中形成总体积为11的混合物。然后，添加30克(300000IU)的猪胰脂肪酶，在50℃下反应0.5小时，用液相色谱测定β-硝基醇化合物：采用C18色谱柱，流动相为甲醇水溶液(甲醇与水的体积比为10/90)，流速1ml/min，检测波长210nm，产率为90％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下：
1H NMR(CDCl3，δ，ppm)：8.25-8.23(m，2H)，7.63-7.61(m，2H)，5.62-5.58(m，1H)，4.63-4.57(m，2H)，3.50-3.46(m，1H).
上述结果表明合成产物为2-硝基-1-(4-硝基苯基)-乙醇。
实施例3在无水N，N-二甲基甲酰胺中酶催化合成2-硝基-1-苯基乙醇
将212克苯甲醛(2mol)和366克硝基甲烷(6mol)加入到经过分子筛除水的N，N-二甲基甲酰胺中形成总体积为31的混合物。然后，添加100克(1000000IU)的南极假丝酵母脂肪酶，在40℃下反应2小时，按照实施例1的液相色谱条件测定β-硝基醇化合物产率为76％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下：
1H NMR(CDCl3，δ，ppm)：7.43-7.38(m，5H)，5.50-5.46(m，1H)，4.66-4.51(m，2H)，2.92-2.91(d，1H，J 1.8Hz).
上述结果表明合成产物为2-硝基-1-苯基乙醇。
实施例4在无水二氧六环中酶催化合成1-硝基-2-丁醇
将116克丙醛(2mol)和305克硝基甲烷(5mol)加入到经过分子筛除水的二氧六环中形成总体积为31的混合物。然后，添加120克(1200000IU)的爪哇白霉脂肪酶，在30℃下反应5小时，按照实施例1的液相色谱条件测定β-硝基醇化合物产率为55％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下：
1H NMR(CDCl3，δ，ppm)：4.47-4.36(m，2H)，4.26(m，1H)，2.77-2.73(dd，1H，J 2.2Hz)，1.62-1.55(m，2H)，1.05-1.00(t，3H，J 7.6Hz).
上述结果表明合成产物为1-硝基-2-丁醇。
实施例5在无水叔戊醇溶剂中酶催化合成3-甲基-1-硝基-2-丁醇
将216克异丁醛(3mol)和366克硝基甲烷(6mol)加入到经过分子筛除水的叔戊醇中形成总体积为31的混合物。然后，添加60克(600000IU)的猪胰脂肪酶，在70℃下反应3小时，按照实施例1的液相色谱条件测定β-硝基醇化合物产率为44％，产物通过薄层色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下：
1H NMR(CDCl3，δ，ppm)：4.50-4.39(m，2H)，4.13-4.10(m，1H)，2.68-2.67(d，1H，J 2.4Hz)，1.83-1.78(m，1H)，1.01-1.00(d，3H，J 2.8Hz)，1.00-0.98(d，3H，J 3.4Hz).
上述结果表明合成产物为3-甲基-1-硝基-2-丁醇。
实施例6在无水二甲基亚砜-丙酮混合溶剂中酶催化合成1-(2-呋喃基)-2-硝基乙醇
将384克糠醛(4mol)和488克硝基甲烷(8mol)加入到经过分子筛除水的二甲基亚砜-丙酮(体积比为50/50)中形成总体积21的混合物。然后，添加80克(800000IU)的猪胰脂肪酶，在60℃下反应0.5小时，按照实施例2的液相色谱条件测定β-硝基醇化合物产率为95％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下：
1H NMR(CDCl3，δ，ppm)：7.42(m，1H)，6.40-6.37(m，2H)，5.49-5.46(dd，1H，J 0.8，0.8Hz)，4.81-4.65(m，2H)，2.98(s，1H).
上述结果表明合成产物为1-(2-呋喃基)-2-硝基乙醇。
实施例7在无水二氧六环-异丙醚混合中酶催化合成1-(2-吡啶基)-2-硝基乙醇
将107克吡啶甲醛(1mol)和366克硝基甲烷(6mol)加入到经过分子筛除水的二氧六环-异丙醚(体积比为70/30)中形成总体积为21的混合物。然后，添加80克(800000IU)的猪胰脂肪酶，在50℃下反应1小时，按照实施例2的液相色谱条件测定β-硝基醇化合物产率为92％，产物通过柱层析色谱法提纯后用核磁共振氢谱表征确认结构，结果如下：
1H NMR(CDCl3，δ，ppm)：8.54-8.53(m，1H)，8.48-8.46(m，1H)，7.82-7.80(m，1H)，7.36-7.33(m，1H)，5.53-5.52，5.51-5.50(dd，1H，J 1.4，1.6Hz)，4.65-4.51(m，2H).
上述结果表明合成产物为1-(2-吡啶基)-2-硝基乙醇。
Claims (7)
1.一种有机相中脂肪酶催化合成β-硝基醇化合物的方法，包括：将硝基烷烃、醛和有机溶剂混合构成反应体系，加入脂肪酶后在20～80℃反应0.5～5小时，制得β-硝基醇化合物；其中，每升反应体系中脂肪酶的用量为200000～500000IU；所述的有机溶剂为二甲基亚砜、N，N-二甲基甲酰胺、二氧六环、叔戊醇、丙酮、异丙醚、二甲基亚砜-丙酮的混合物或者二氧六环-异丙醚的混合物。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的硝基烷烃为结构式(II)所示的化合物：
其中，R1为H或甲基，R2为H或甲基。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的醛为结构式(III)所示的化合物：
其中，R3为H、甲基、乙基、丙基、异丙基、苯基、对甲基苯基、对甲氧基苯基、对硝基苯基、呋喃基或吡啶基。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的脂肪酶为南极假丝酵母脂肪酶、爪哇白霉脂肪酶或猪胰脂肪酶。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的反应温度为40～70℃，反应时间为0.5～3小时。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述的反应温度为50～60℃。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：每升反应体系中脂肪酶的用量为300000～400000IU。
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