CN111019980B - 一种丙二酸单对硝基苄酯的生物合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种丙二酸单对硝基苄酯的高效生物合成方法，涉及生物合成技术领域，本发明以脂肪酸作为催化剂，利用对硝基苄醇和丙二酸合成丙二酸单对硝基苄酯，并通过诱导剂和除水剂的添加以缩短反应所需时间和提高产物丙二酸单对硝基苄酯的收率，产物丙二酸单对硝基苄酯的收率可以达到90％以上，利用0.1mol的对硝基苄醇制备丙二酸单对硝基苄酯的反应所需时间控制在12h以内。

Description

一种丙二酸单对硝基苄酯的生物合成方法
技术领域
本发明涉及生物合成技术领域，具体涉及一种丙二酸单对硝基苄酯的生物合成方法。
背景技术
丙二酸单对硝基苄酯是一种重要的生物医药中间体，用于生产美罗培南、比阿培南等碳青霉烯类抗生物，因此提高丙二酸单对硝基苄酯的收率和纯度对后续合成碳青霉烯类抗生物具有十分重要的现实意义。
目前，常用丙二酸单对硝基苄酯的化学合成方法是：采用对硝基苄醇和丙二酸作为反应原料，在酸催化下经酯化反应制得，但产品丙二酸单对硝基苄酯的收率较低，主要原因是反应过程中容易生成副产物丙二酸双对硝基苄酯，从而增加了产品丙二酸单对硝基苄酯的分离纯化难度。
为了解决上述化学合成方法存在的缺陷，专利CN 103540622B公开了一种酶催化合成对硝基苄醇丙二酸单酸酯的方法，以对硝基苄醇、丙二酸或丙二酸盐作为反应原料，以苯、甲苯等有机溶剂作为反应溶剂，以脂肪酶作为催化剂，并配合添加吸水剂，该生物合成方法具有反应条件温和、副产物少、后处理简单的特点；但反应时间较长，需要10-48 h，实施例4在50℃下反应48 h后产物收率才能达到90.3%。因此，本发明想要解决的技术问题是如何在缩短反应时间的前提下提高产物的收率，并且所采用的反应条件温和，能耗小，成本低，从而适合丙二酸单对硝基苄酯的工业化生产。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种丙二酸单对硝基苄酯的生物合成方法，反应条件温和，反应时间短，产品收率高，能耗小，成本低，适合工业化生产。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种丙二酸单对硝基苄酯的生物合成方法，包括以下步骤：
(1) 向反应器中加入对硝基苄醇、丙二酸和反应溶剂，加热至40-60℃后加入脂肪酶、诱导剂和除水剂，于40-60℃下反应，反应结束后趁热抽滤，滤液经减压蒸馏回收反应溶剂，得到蒸馏剩余物；
(2) 向蒸馏剩余物中加入二甲苯，搅拌溶解，再滴加稀碱溶液调节pH值至8-9，静置分层，所得水相滴加稀酸溶液调节pH值至4-5，静置析出固体，抽滤，烘干，得到丙二酸单对硝基苄酯。
所述反应溶剂选自甲苯、二甲苯、丙酮、四氢呋喃中的一种。
所述对硝基苄醇、丙二酸、除水剂的摩尔比为1 : 1-1.2 : 0.25-0.5。
通过控制对硝基苄醇与丙二酸的摩尔比来减少副产物的生成，同时避免因丙二酸的过量添加而存在的原料利用率低以及增加原料投入成本的问题。
所述脂肪酶为Novozym 435，规格：USP，10000U/g。
所述脂肪酶的用量为对硝基苄醇与丙二酸总质量的0.01-0.25倍。
基于提高脂肪酶酶活的目的，本发明添加了诱导剂，在脂肪酶用量不变的情况下，快速激活脂肪酶，提高脂肪酶的酶活力，从而缩短反应时间并保证产物收率。
所述诱导剂的用量为脂肪酶质量的0.02-1倍。
所述诱导剂为二茂铁。
利用二茂铁来改变脂肪酶的理化性质，从而提高脂肪酶的酶活力。而二茂铁并不属于本领域已知的能够用于提高脂肪酶酶活力的诱导剂，发明人是在试验过程中意外发现二茂铁能够作为脂肪酶的诱导剂，并取得缩短本发明的酯化反应时间和提高产物丙二酸单对硝基苄酯的收率的技术效果。
所述除水剂选自硫酸镁、氯化钙中的一种。
除水剂应当选择本身呈白色以及吸水后仍呈白色的物质，例如硫酸铜作为除水剂时，虽然硫酸铜本身呈白色，但吸水后会呈蓝色，因此在产物后续纯化时需要设置脱色操作，否则会影响产物的外观品质以及纯度，但脱色操作的增加会降低产物收率和提高纯化成本。
为了利用诱导剂使脂肪酶发挥更好的催化效果，本发明还尝试采用三氟甲基磺酸锂作为诱导剂，在用量相同的条件下三氟甲基磺酸锂取得了优于二茂铁的诱导效果，进一步缩短了酯化反应时间和提高产物丙二酸单对硝基苄酯的收率。
上述除水剂采用的是无机物，这些除水剂在用量很大的情况下其吸水性能良好，但同时会因吸附产物而造成产物收率下降；但这些除水剂在用量较小的情况下其吸水性能有限，对酯化反应的正向推动作用有限。为了解决这一问题，本发明还自制了除水剂，具体制备方法如下：
所述除水剂为(2-羟丙基)-丙氨酸。结构式如下：
Figure 111553DEST_PATH_IMAGE001
(2-羟丙基)-丙氨酸是由α-氨基丙酸和α-羟基丙酸经酰胺缩合反应制成，经试验发现以(2-羟丙基)-丙氨酸作为除水剂时相对于硫酸镁、氯化钙来说，能够进一步缩短酯化反应时间并保证产物丙二酸单对硝基苄酯的收率。
本发明的有益效果是：本发明以脂肪酸作为催化剂，利用对硝基苄醇和丙二酸合成丙二酸单对硝基苄酯，并通过诱导剂和除水剂的添加以缩短反应所需时间和提高产物丙二酸单对硝基苄酯的收率，产物丙二酸单对硝基苄酯的收率可以达到90%以上，利用0.1mol的对硝基苄醇制备丙二酸单对硝基苄酯的反应所需时间控制在12 h以内。
具体实施方式：
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例1
(1) 向反应器中加入15.3 g对硝基苄醇(0.1 mol)、12.5 g丙二酸(0.12 mol)和300 mL丙酮，加热至55℃后加入1 g脂肪酶Novozym 435、0.5 g二茂铁和6 g硫酸镁(0.05mol)，于55℃下反应10 h，反应结束后趁热抽滤，滤液经减压蒸馏回收反应溶剂，得到蒸馏剩余物；
(2) 向蒸馏剩余物中加入50 mL二甲苯，搅拌溶解，再滴加稀碱溶液调节pH值至8，静置分层30 min，所得水相滴加稀酸溶液调节pH值至4，静置1 h析出固体，抽滤，80℃烘干10 h，得到丙二酸单对硝基苄酯。产物熔点109℃，收率90.8%，纯度98.4%。
脂肪酶购自杭州创科生物科技有限公司的Novozym 435，规格：USP，10000U/g。
实施例2
将实施例1中的除水剂替换为等摩尔量的氯化钙，其余操作同实施例1。产物熔点109℃，收率91.0%，纯度98.6%。
实施例3
将实施例1中的二茂铁替换为等质量的三氟甲基磺酸锂，反应时间替换为8 h，其余操作同实施例1。产物熔点109℃，收率93.0%，纯度99.3%。
实施例4
将实施例1中的除水剂替换为等摩尔量的(2-羟丙基)-丙氨酸，反应时间替换为8h，其余操作同实施例1。产物熔点109℃，收率91.8%，纯度99.1%。
(2-羟丙基)-丙氨酸的制备：将10.7 g α-氨基丙酸(0.12 mol)和9.0 g α-羟基丙酸(0.1 mol)溶于300 mL 70%乙醇中，并加入23.0 g EDC.HCl (0.12 mol)和16.2 g HOBt(0.12 mol)，加热至70℃回流反应5 h，然后利用5℃冷凝水将反应液冷却至5℃，过滤，滤液减压浓缩至干，浓缩剩余物于70℃烘干12 h，即得(2-羟丙基)-丙氨酸，收率96.7%。1H NMR(CDCl3, 400 MHz), δ: 12.54 (s, 1H), 8.32 (s, 1H), 5.40 (s, 1H), 4.35 (m, 1H),3.98 (m, 1H), 1.32 (d, 3H), 1.12 (d, 3H).
对照例1
将实施例1中的二茂铁不添加，其余操作同实施例1。产物熔点109℃，收率62.3%，纯度97.5%。
对照例2
将实施例1中的二茂铁不添加，反应时间替换为12 h，其余操作同实施例1。产物熔点109℃，收率65.1%，纯度97.6%。
由上述实施例和对照例可知，本发明通过所述诱导剂和除水剂的添加能够显著提高产物收率同时缩短反应时间。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.一种丙二酸单对硝基苄酯的生物合成方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 向反应器中加入对硝基苄醇、丙二酸和反应溶剂，加热至40-60℃后加入脂肪酶、诱导剂和除水剂，于40-60℃下反应，反应结束后趁热抽滤，滤液经减压蒸馏回收反应溶剂，得到蒸馏剩余物；
所述诱导剂为二茂铁；
(2) 向蒸馏剩余物中加入二甲苯，搅拌溶解，再滴加稀碱溶液调节pH值至8-9，静置分层，所得水相滴加稀酸溶液调节pH值至4-5，静置析出固体，抽滤，烘干，得到丙二酸单对硝基苄酯；
所述对硝基苄醇、丙二酸、除水剂的摩尔比为1 : (1-1.2) : (0.25-0.5)；
所述除水剂选自硫酸镁、氯化钙中的一种。
2.根据权利要求1所述的丙二酸单对硝基苄酯的生物合成方法，其特征在于：所述反应溶剂选自甲苯、二甲苯、丙酮、四氢呋喃中的一种。
3.根据权利要求1所述的丙二酸单对硝基苄酯的生物合成方法，其特征在于：所述脂肪酶为Novozym 435，规格：USP，10000U/g。
4.根据权利要求1所述的丙二酸单对硝基苄酯的生物合成方法，其特征在于：所述脂肪酶的用量为对硝基苄醇与丙二酸总质量的0.01-0.25倍。
5.根据权利要求1所述的丙二酸单对硝基苄酯的生物合成方法，其特征在于：所述诱导剂的用量为脂肪酶质量的0.02-1倍。
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