CN115058458A - 一种(s)-1，2-丙二醇的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及生物技术领域，且公开了一种(S)‑1，2‑丙二醇的制备方法，包括：利用生物催化剂以丙酮醇为底物经不对称催化即得(S)‑1，2‑丙二醇，不对称催化反应包括以下反应步骤：步骤一、取反应皿，并依次添加入缓冲液、丙酮醇、生物催化剂、辅酶、氢供体和脱氢酶，得到反应液；步骤二、将步骤一得到的反应液在水浴加热环境下进行还原反应，直至TLC原料点消失，即反应完毕，得到含(S)‑1，2‑丙二醇的反应液。该(S)‑1，2‑丙二醇的制备方法，具备反应条件温和、效率高、立体选择性强、环境友好等优点。

Description

一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法
技术领域
本发明涉及生物技术领域，具体为一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法。
背景技术
(S)-1，2-丙二醇(cas#4254-15-3)可作为许多药物、中间体等合成中的重要合成砌块和多种手性化合物的合成前体以及作为手性掺杂剂用于手征向列相液晶的合成。此外，(S)-1，2-丙二醇也直接用于与手性药物形成共晶，如抗糖尿病药物格列净类药物，如恩格列净、达格列净可与(S)-1，2-丙二醇和水结合成共晶型，这种晶型可有效防止糖环结构的四个羟基分子状态易吸潮变质。
目前，已报道的合成(S)-1，2-丙二醇的方法主要有以下几种：一、S-环氧丙烷在酸催化下，开环加成，生成(S)-1，2-丙二醇；二、采用酵母或者细菌对消旋的丙二醇进行拆分，反应消耗掉R型1，2-丙二醇，从而获得产物；三、通过代谢工程可以在细胞中过量表达产1，2一丙二醇的途径酶，达到用廉价利用葡萄糖，在多步胞内酶的作用下生成S-1，2-丙二醇。
其中，方法一为化学法，是目前生产(S)-1，2-丙二醇的主流方法，但其应用需要严苛的生产条件，原料需要手性的S-环氧丙烷，成本较高，污染较大；
方法二采取生物酶法拆分的原理，利用酶反应的选择性，选择性的降解R构型产物，得到最终产品，然而拆分法具有原子经济性低的固有缺陷，拆分得到一个产物的同时，另一构型产物成为废弃物，构成浪费，且目前用于拆分的酶效率低，产量小，不利于工业化；
方法三采用合成生物学原理，利用葡萄糖及细菌，通过发酵的手段，获得产物，然目前产量仍然较低，成本较高，不利于工业化。
因此，本领域亟需一种反应具有反应条件温和、效率高、立体选择性强、环境友好的(S)-1，2-丙二醇的合成方法，以期在工业上具有较好的应用。
发明内容
（一）解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，具备反应条件温和、效率高、立体选择性强、环境友好等优点，解决了传统合成(S)-1，2-丙二醇的多种方法应用效果不佳的问题。
（二）技术方案
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，包括：
利用生物催化剂以丙酮醇为底物经不对称催化即得(S)-1，2-丙二醇。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，不对称催化反应包括以下反应步骤：
步骤一、取反应皿，并依次添加入缓冲液、丙酮醇、生物催化剂、辅酶、氢供体和脱氢酶，得到反应液；
步骤二、将步骤一得到的反应液在水浴加热环境下进行还原反应，直至TLC原料点消失，即反应完毕，得到含(S)-1，2-丙二醇的反应液。
进一步，还包括将含(S)-1，2-丙二醇的反应液进一步处理得到含(S)-1，2-丙二醇成品，具体处理方法包括：
步骤一、将含(S)-1，2-丙二醇的反应液在80℃环境下保温1h，再置于冰水中进行放冷析出大量固体，并经减压过滤操作得到固体；
步骤二、将步骤一得到的固体用500ml乙酸乙酯洗涤滤渣多遍，再合并滤液和洗涤液并经减压蒸馏操作除去溶剂，得到黄褐色油状物，即为(S)-1，2-丙二醇粗品。
步骤三、将步骤二得到的(S)-1，2-丙二醇粗品在真空0.5-1mm汞柱、175-180℃条件下，经减压蒸馏操作得到(S)-1，2-丙二醇成品。
进一步，在含(S)-1，2-丙二醇的反应液制备的步骤二中，还包括往水浴加热进行还原反应中的反应皿添加氢氧化钠溶液。
进一步，不对称催化反应环境中PH值在6.0-7.0之间，所述水浴加热环境温度在25℃~35℃之间。
进一步，所述反应皿中依次添加物质浓度分别为磷酸钾缓冲液50-100mmol/L、丙酮醇50-200g/L、生物催化剂20-80g/L、辅酶0.1-0.4g/L、氢供体100-400g/L和脱氢酶2-8g/L。
进一步，所述缓冲液优选水、磷酸盐缓冲液或Tris-HCl缓冲液中的一种。
进一步，所述辅酶优选以下物质中的至少一种：NAD+、NADH、NADP+、NADPH。
进一步，所述生物催化剂优选酮还原酶。
进一步，所述氢供体优选以下物质中的至少一种：葡萄糖或者异丙醇，所述脱氢酶优选以下物质中的至少一种：葡萄糖脱氢酶或者异丙醇脱氢酶。
本发明的有益效果是：
该(S)-1，2-丙二醇的制备方法相较于现有技术中的合成方法，由于生物催化剂可通过构建大肠杆菌基因工程菌和发酵培养大量制备，相对廉价易得，使用原料成本降低，并且反应为“一锅煮”式，所有原料同时加入，反应后直接得到最终产物(S)-1，2-丙二醇，中间无需分离提纯，反应条件温和，有机溶剂用量小，反应体系更绿色环保，具有较好的工业应用前景。
附图说明
图1为本发明反应流程图；
图2为本发明实施例一中酮还原酶催化丙酮醇合成(S)-1，2-丙二醇反应的TLC检测结果图。
图3为本发明实施例一中酮还原酶催化丙酮醇合成(S)-1，2-丙二醇反应的产物手性纯度检测结果图。
具体实施方式
下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
由图1给出一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，包括：
利用生物催化剂以丙酮醇为底物经不对称催化即得(S)-1，2-丙二醇；
其中，生物催化剂为购买武汉药剂康制药有限公司公开销售的酮还原酶KRED702。
其中，不对称催化反应包括以下反应步骤：
步骤一、取反应皿，并依次添加入缓冲液、丙酮醇、生物催化剂、辅酶、氢供体和脱氢酶，得到反应液；
其中，缓冲液优选水、磷酸盐缓冲液或Tris-HCl缓冲液中的一种；辅酶优选以下物质中的至少一种：NAD+、NADH、NADP+、NADPH；其中优选NAD+，氢供体优选以下物质中的至少一种：葡萄糖或者异丙醇，其中，优选葡萄糖，脱氢酶优选以下物质中的至少一种：葡萄糖脱氢酶或者异丙醇脱氢酶；
生物催化剂优选酮还原酶；
其中，反应过程为，异丙醇或葡萄糖经催化剂及葡萄糖脱氢酶或者异丙醇脱氢酶脱氢转换为丙酮，丙酮醇经酮还原酶催化并经异丙醇所脱氢键结合转换为(S)-1，2-丙二醇。
关于酮还原酶的培育过程如下：
一、重组酮还原酶基因工程菌的构建
全基因合成编码KRED105的基因序列，选择NdeI和HindIII两个酶切位点插入pET-30a(+)表达载体，转化大肠杆菌JM109感受态细胞；挑取阳性转化子测序鉴定后，得到重组表达载体；将含有目的基因的重组表达载体转入大肠杆菌BL21（DE3）感受态细胞后，即可获得可以诱导表达重组酮还原酶的基因工程菌；
二、重组酮还原酶的制备
将一中获得的基因工程菌接种至5mL含卡那霉素的LB试管培养基中活化培养（37℃培养12h），按1%接种量转接活化培养物至400mL含卡那霉素的LB液体培养基中，37℃培养菌体浓度A600至0.6-0.8，加入IPTG（终浓度0.1mmol/L）于25℃诱导培养16h，离心收集菌体，即得含重组酮还原酶的湿菌体；
葡萄糖脱氢酶为武汉药剂康制药公开销售的GDH001；
反应皿中依次添加物质浓度分别为磷酸钾缓冲液50-100mmol/L、丙酮醇50-200g/L、生物催化剂20-80g/L、辅酶0.1-0.4g/L、氢供体100-400g/L和脱氢酶2-8g/L；
步骤二、将步骤一得到的反应液在水浴加热环境下进行还原反应，该反应时间为16~24h，直至TLC原料点消失，TCL检测技术为本领域的常规检测技术，故不在此过多叙述，采用TLC检测技术可显示起始原料是否消失完全即可判断反应是否完成，即反应完毕，得到含(S)-1，2-丙二醇的反应液；
其中，不对称催化反应环境中反应液的PH值优选在6.0-7.0之间，水浴加热环境温度在25℃~35℃之间，其中优选pH=6.5，温度30℃。
并且，在含(S)-1，2-丙二醇的反应液制备的步骤二中，还包括往水浴加热进行还原反应中的反应皿添加氢氧化钠溶液，可调节维持反应液的PH值。
还包括将含(S)-1，2-丙二醇的反应液进一步处理得到含(S)-1，2-丙二醇成品，具体处理方法包括：
步骤一、将含(S)-1，2-丙二醇的反应液在80℃环境下保温1h，再置于冰水中进行放冷析出大量固体，并经减压过滤操作得到固体；
步骤二、将步骤一得到的固体用500ml乙酸乙酯洗涤滤渣多遍，再合并滤液和洗涤液并经减压蒸馏操作除去溶剂，得到黄褐色油状物，即为(S)-1，2-丙二醇粗品。
步骤三、将步骤二得到的(S)-1，2-丙二醇粗品在真空0.5-1mm汞柱、175-180℃条件下，经减压蒸馏操作得到(S)-1，2-丙二醇成品。
根据上述描述，现提供多个关于实际制备数据的实施例与产物产率及手性纯度的相关数据；
实施例一：
如图2和图3所示，其中，图2中1、2、3数字分别表示反应20h检测结果、反应12h检测结果和底物丙酮醇；
取一个反应皿，在反应皿内加入PH为6.5的磷酸钾缓冲液，分别添加100g丙酮醇、40g含重组酮还原酶的湿菌体、0.2g辅酶NAD+、4g葡萄糖脱氢酶酶粉、200g无水葡萄糖，定容至1L；
在25℃水浴进行还原反应，反应过程补加3mol/L氢氧化钠溶液维持反应液pH6.5左右，TLC检测原料点消失，即反应完毕；
在反应液80℃保温1h后，冰水中放冷后析出大量固体，减压过滤。对固体用500ml乙酸乙酯洗涤滤渣2遍，合并滤液和洗涤液，减压蒸馏除去溶剂得118g黄褐色油状物，即为(S)-1，2-丙二醇粗品，粗品在真空0.5-1mm汞柱、175-180℃条件下，减压蒸馏得(S)-1，2-丙二醇成品90.7g。
由上述数据计算收率为89%，GC检测产品手性纯度(S)为99.3%ee。
实施例二：
取一个反应皿，在反应皿内加入pH7.0的磷酸钾缓冲液，分别添加150g丙酮醇、60g含重组酮还原酶的湿菌体、0.3g辅酶NAD+、6g葡萄糖脱氢酶酶粉、300g无水葡萄糖，定容至1L；
在30℃水浴进行还原反应，反应过程补加3mol/L氢氧化钠溶液维持反应液pH6.5左右，TLC检测原料点消失，即反应完毕；
反应液80℃保温1h后，冰水中放冷后析出大量固体，减压过滤，对固体用500ml乙酸乙酯洗涤滤渣2遍，合并滤液和洗涤液，减压蒸馏除去溶剂得166g黄褐色油状物，即为(S)-1，2-丙二醇粗品，粗品在真空0.5-1mm汞柱、175-180℃条件下，减压蒸馏得(S)-1，2-丙二醇产品131.2g。
由上述数据计算收率为86%，GC检测产品手性纯度(S)为99.3%ee。
实施例三：
取一个反应皿，在反应皿内加入pH7.0的磷酸钾缓冲液，分别添加200g丙酮醇、80g含重组酮还原酶的湿菌体、0.4g辅酶NAD+、8g葡萄糖脱氢酶酶粉、400g无水葡萄糖；
在35℃水浴进行还原反应，反应过程补加3mol/L氢氧化钠溶液维持反应液pH7.0左右，TLC检测原料点消失，即反应完毕；
反应液80℃保温1h后，冰水中放冷后析出大量固体，减压过滤，对固体用500ml乙酸乙酯洗涤滤渣2遍，合并滤液和洗涤液，减压蒸馏除去溶剂得213g黄褐色油状物，即为(S)-1，2-丙二醇粗品，粗品在真空0.5-1mm汞柱、175-180℃条件下，减压蒸馏得(S)-1，2-丙二醇产品173.4g。
由上述数据计算收率为85%，GC检测产品手性纯度(S)为99.3%ee。
实施例四：
取一个反应皿，在反应皿内加入pH7.0的磷酸钾缓冲液，分别添加200g丙酮醇、80g含重组酮还原酶的湿菌体、0.4g辅酶NAD+、8g异丙醇还原酶酶粉、200g异丙醇；
在35℃水浴进行还原反应，TLC检测原料点消失，即反应完毕；
反应液80℃保温1h后，冰水中放冷后析出大量固体，减压过滤，对固体用500ml乙酸乙酯洗涤滤渣2遍，合并滤液和洗涤液，减压蒸馏除去溶剂得213g黄褐色油状物，即为(S)-1，2-丙二醇粗品，粗品在真空0.5-1mm汞柱、175-180℃条件下，减压蒸馏得(S)-1，2-丙二醇产品173.4g。
由上述数据计算收率为85%，GC检测产品手性纯度(S)为99.3%ee。
由上述数据实施例可知，本发明提出了利用酮还原酶不对称催化合成(S)-1，2-丙二醇，最终反应转化率大于95%，产物收率大于85%，产物手性纯度达到99.3%ee，本发明方法反应条件温和，有机溶剂用量小，反应体系更绿色环保，转化率高，大大提高了(S)-1，2-丙二醇的制备效率，具有较好的工业应用前景。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，其特征在于：包括：
利用生物催化剂以丙酮醇为底物经不对称催化即得(S)-1，2-丙二醇。
2.根据权利要求1所述的一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，其特征在于：不对称催化反应包括以下反应步骤：
步骤一、取反应皿，并依次添加入缓冲液、丙酮醇、生物催化剂、辅酶、氢供体和脱氢酶，得到反应液；
步骤二、将步骤一得到的反应液在水浴加热环境下进行还原反应，直至TLC原料点消失，即反应完毕，得到含(S)-1，2-丙二醇的反应液。
3.根据权利要求2所述的一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，其特征在于：还包括将含(S)-1，2-丙二醇的反应液进一步处理得到含(S)-1，2-丙二醇成品，具体处理方法包括：
步骤一、将含(S)-1，2-丙二醇的反应液在80℃环境下保温1h，再置于冰水中进行放冷析出大量固体，并经减压过滤操作得到固体；
步骤二、将步骤一得到的固体用500ml乙酸乙酯洗涤滤渣多遍，再合并滤液和洗涤液并经减压蒸馏操作除去溶剂，得到黄褐色油状物，即为(S)-1，2-丙二醇粗品；步骤三、将步骤二得到的(S)-1，2-丙二醇粗品在真空0.5-1mm汞柱、175-180℃条件下，经减压蒸馏操作得到(S)-1，2-丙二醇成品。
4.根据权利要求2或3所述的一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，其特征在于：在含(S)-1，2-丙二醇的反应液制备的步骤二中，还包括往水浴加热进行还原反应中的反应皿添加氢氧化钠溶液。
5.根据权利要求2或3所述的一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，其特征在于：不对称催化反应环境中PH值在6.0-7.0之间，所述水浴加热环境温度在25℃~35℃之间。
6.根据权利要求2或3所述的一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，其特征在于：所述反应皿中依次添加物质浓度分别为磷酸钾缓冲液50-100mmol/L、丙酮醇50-200g/L、生物催化剂20-80g/L、辅酶0.1-0.4g/L、氢供体100-400g/L和脱氢酶2-8g/L。
7.根据权利要求6所述的一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，其特征在于：所述缓冲液优选水、磷酸盐缓冲液或Tris-HCl缓冲液中的一种。
8.根据权利要求6所述的一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，其特征在于：所述辅酶优选以下物质中的至少一种：NAD+、NADH、NADP+、NADPH。
9.根据权利要求6所述的一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，其特征在于：所述生物催化剂优选酮还原酶。
10.根据权利要求6所述的一种(S)-1，2-丙二醇的制备方法，其特征在于：所述氢供体优选以下物质中的至少一种：葡萄糖或者异丙醇，所述脱氢酶优选以下物质中的至少一种：葡萄糖脱氢酶或者异丙醇脱氢酶。
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