CN1580275A - 酶法拆分光学活性氰醇的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种酶法拆分光学活性氰醇的制备方法。方法的步骤如下：1)将消旋氰醇酯溶解在有机反应溶剂中，然后加入脂肪醇，加入的氰醇酯和脂肪醇的摩尔比为1∶0.1～1∶20，充分混合；2)在反应体系中加入酶催化氰醇酯的醇解反应，然后在反应温度0℃～70℃下搅拌反应0.01～180小时，氰醇酯和酶的用量比为0.001～100mol氰醇酯/1克酶；3)将反应液过滤，回收酶，即可获得具有高光学活性的S－氰醇。本发明是通过将氰醇酯和脂肪醇溶解于有机溶剂中，然后加入酶，在酶的催化作用下，氰醇酯和脂肪醇发生不对称醇解反应，获得具有高光学活性的S－氰醇，反应选择性好，转化率高，获得的产物S－氰醇光学纯度高，反应适用温度范围宽。
Description
技术领域
本发明涉及一种酶法拆分光学活性氰醇的制备方法。
背景技术
光学活性氰醇是一类重要的手性中间体，它很容易转化为β-氨基醇、α-羟基酸、α-羟基酮、α-氨基酸等手性物质，因而在医药、农药、精细化工等领域有广阔的应用前景(Effenberger，F.Angew.Chem.Int.Ed.Engl.，1994，33，1555-1564)。S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇(S-氰醇，分子式1)主要用于合成具有高杀虫活性的拟除虫菊酯杀虫剂。以氰醇为醇组成结构的拟除虫菊酯杀虫剂由于苯醚基团和氰基的引入，大大提高了拟除虫菊酯的杀虫活性和光稳定性。业已证明，拟除虫菊酯的酸或醇部分若含有手性中心，其立体构型对生物活性有重大影响，拟除虫菊酯几何异构体杀虫活性也有明显差异。对于以氰醇为醇部的菊酯而言，大都是以S-构型氰醇为醇部的菊酯具有高杀虫活力。
根据反应过程，具有光学活性的S-氰醇的制备方法可分为两类，一类是利用不对称合成反应直接合成光学活性S-氰醇。一般来说，在无酶催化条件下化学合成的产物是外消旋的氰醇化合物，而利用手性催化剂催化3-苯氧基-苯甲醛非对称羟氰化可以得到S-α-氰基-3-苯氧基苄醇，这类催化剂有金属复合物、生物碱、多肽、醇腈酶等。氢氰酸通常用作氰基供体，但由于它的毒性，一般用丙酮氰醇作为它的替代物。由于酶对反应的高度化学、区域和立体的专一性以及温和的反应条件，目前在不对称合成中使用较多的是酶法，主要酶源为S-醇腈酶(如专利号为US5177242，专利号为JP2001120289以及专利公开号为CN1075166中所描述的方法，其中有些专利涉及到酶的固定化方法)。但是在自然界中R-醇腈酶比较容易得到，而S-醇腈酶是稀有酶很难得到，大量供应困难，因此该技术虽然具有较多的优点，但是实现工业化有较大的困难。对于外消旋氰醇或氰醇酯，通过化学方法或生物方法将两个对映体拆分，是制备高光学纯度S-氰醇的另一类方法，常用拆分方法是酶促拆分方法。氰醇的酶促拆分方法有多种，可以利用容易获得的R-醇腈酶直接分解R-氰醇实现拆分，但是有50％的氰醇被分解浪费(如专利号为DE4139987和US5241087中所描述的方法)；也可以利用脂肪酶催化选择性酯化进行拆分(Hsu，S.H.等，Tetrahedron Letter，1990，31，6403-6406；Inagaki，M.等，J.Am.Chem.Soc.，1991，113，9360-9361)，缺点是得到的产物S-氰醇酯需要再通过反应转化为相应S-氰醇，且产物的对映体纯度一般不是很高；还可以将氰醇转化成酯再利用脂肪酶或酯酶选择性水解进行拆分(如专利号为JP59130188和US4985365中所描述的方法)，但是由于氰醇酯在水溶液中的溶解度不高，且产物氰醇在水溶液中容易分解，因此不利于大规模生产。此外还有一种常见方法是非对映体法拆分，即对映体与一手性拆分试剂反应生成一对非对映体，然后根据非对映体的理化性质的差异进行分离(如专利公开号为CN1205003中所描述的方法)，主要缺点在于步骤复杂，拆分过程冗长，所需试剂昂贵，产物纯度较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种酶法拆分光学活性氰醇的制备方法。
方法的步骤如下：
1)将消旋氰醇酯溶解在有机反应溶剂中，然后加入脂肪醇，加入的氰醇酯和脂肪醇的摩尔比为1∶0.1～1∶20，充分混合；
2)在反应体系中加入酶催化氰醇酯的醇解反应，然后在反应温度0℃～70℃下搅拌反应0.01～180小时，氰醇酯和酶的用量比为0.001～100mol氰醇酯/1克酶；
3)将反应液过滤，回收酶，即可获得具有高光学活性的S-氰醇。
本发明是通过将氰醇酯和脂肪醇溶解于有机溶剂中，然后加入酶，在酶的催化作用下，氰醇酯和脂肪醇发生不对称醇解反应，获得具有高光学活性的S-氰醇，反应选择性好，转化率高，获得的产物S-氰醇光学纯度高，反应适用温度范围宽，可在常温下进行，反应条件温和，操作方便，设备简单。通过酶催化不对称醇解反应得到的高纯度S-氰醇，可以直接应用于后续反应步骤。该技术是在有机溶剂中实现，酶活力稳定，不流失，可反复循环使用；可防止S-氰醇的分解，提高S-氰醇的稳定性和光学纯度，为S-氰醇的工业应用提供了保证，因而具有较大的工业应用前景。
具体实施方式
本发明中的所用到的脂肪醇为甲醇、乙醇、氯丙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、异戊醇、正己醇、正辛醇、异辛醇或十六醇，其他结构的脂肪醇也可以用作反应底物，在此不再一一列举。所述的有机溶剂可以是醚、芳烃、取代芳烃、烷烃、卤代烷或者酮等常用溶剂，包括上述溶剂的相互混合获得的混合溶剂，如正己烷、环己烷、正庚烷、异辛烷、甲苯、苯、甲基叔丁基醚、异丙醚、乙醚、四氢呋喃、二氧六环、二氯甲烷或氯仿等。所述的底物氰醇酯可以是氰醇甲酸酯、氰醇乙酸酯、氰醇丙酸酯或者氰醇异丙酸酯等，分子式2中的R为其他取代基的氰醇酯也可以作为反应底物。分子式1和2中的取代基团X可以为氢，也可以为氟。所述的酶可以是通过微生物培养后，经过初步分离纯化获得的粗酶；也可以是商品酶，比如从Sigma、Fluka、Meito Sangyo以及Roche Mol.Biochemical等公司获得的具有高选择性催化能力的纯酶或者固定化酶。上述的有机溶剂中可以含有0％～2％重量的水，含有更高浓度水量的有机溶剂也可以进行反应，但是可能会影响产物的光学纯度和转化率，推荐有机溶剂中含有0.01％～1％重量的水。本发明所述的有机溶剂中的微量水，可以是有机溶剂中本来就含有的，也可以是向无水有机溶剂中人工添加的。酶当中通常也含有少量的水。
采用本发明生产光学活性的S-氰醇时，是利用酶的高度对映体选择性，在微水有机溶剂中催化氰醇酯和脂肪醇发生不对称醇解反应(有时也称为酯交换反应，转酯化反应)，将消旋的氰醇酯不对称醇解为相应的S-氰醇。其化学反应式如下：
上述分子式中的X可以为H，也可以为氟(F)。
反应实施过程如下：
反应前将所有试剂，包括氰醇酯、脂肪醇和有机溶剂进行预处理，以除去其中存在的水分，然后根据具体的反应条件向无水溶剂中加入一定量的水，达到预定的水含量。为了防止溶剂和反应物的挥发，反应在密封的反应器中进行。反应时将消旋氰醇酯、脂肪醇和有机溶剂和酶先后加入到反应器中，如前所述，所用到的脂肪醇为甲醇、乙醇、氯丙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、异戊醇、正己醇、正辛醇、异辛醇和十六醇，其他结构的脂肪醇也可以用作反应底物，在此不再一一列举。所用的有机溶剂可以是醚、芳烃、取代芳烃、烷烃、卤代烷或者酮等常用溶剂，包括上述溶剂的相互混合获得的混合溶剂，只要所用的有机溶剂对于反应是惰性的，如正己烷、环己烷、正庚烷、异辛烷、甲苯、苯、甲基叔丁基醚、异丙醚、乙醚、四氢呋喃、二氧六环、二氯甲烷或氯仿等。所用的底物消旋氰醇酯可以是氰醇甲酸酯、氰醇乙酸酯、氰醇丙酸酯或者氰醇异丙酸酯等，分子式2中的R为其他取代基的氰醇酯也可以作为反应底物。分子式1和2中的取代基团X可以为氢，也可以为氟。反应体系中消旋氰醇酯、脂肪醇和酶的量按照预先设定的氰醇酯和脂肪醇的摩尔比以及氰醇酯和酶的用量比加入。然后将反应器密封，控制反应温度在0℃～70℃，搅拌反应0.01～180小时后结束反应。反应温度对酶催化反应的选择性几乎没有影响，较高的反应温度可以提高反应速率，因此，在较高的温度下进行反应，可以在较短的时间内结束反应，但是较高的温度会影响产物的稳定性，导致产物分解程度加剧，既降低了产物的收率，也会降低产物的对映体纯度。产物的转化率和对映体纯度用手性高效液相色谱测定。产率的定义为反应结束后得到产物的摩尔数和反应开始时加入底物的摩尔数的比值；产物S-氰醇的对映体纯度的计算公式为：e.e.％＝(S-R)/(S+R)×100％，其中S代表S-氰醇的含量，R代表R-氰醇的含量。
实施例1：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在室温下将0.03mol(8g)α-氰基-3-苯氧基苄醇乙酸酯，0.12mol乙醇(5.5g)和250ml含有0％~1％水的四氢呋喃加入到500ml反应瓶中，然后加入750mg酶，搅拌反应25小时。反应结束后，将反应液过滤回收酶以重复使用，溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为48.8％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为99％。将回收的酶加入到新鲜的反应液中重复使用，催化能力没有明显的下降。具体的反应结果如下所示：
| 批次 | 反应时间(小时) | 产率(％) | 产物e.e.值(％) |
| 1 | 24.5 | 48.8 | ＞99 |
| 2 | 25 | 48.7 | ＞99 |
| 3 | 27 | 48.3 | ＞99 |
| 4 | 30 | 48.4 | ＞99 |
| 5 | 31 | 48.0 | ＞99 |
本发明所用的酶可以是通过微生物培养后，经过初步分离纯化获得的粗酶；也可以是商品酶，比如来源于Candida rugosa，Candida cylindracea，Porcinepancreatic，Pseudomonas sp.(Sigma公司)、Rhizopus delemar，Chromobacterium viscosum，Rhizopus niveus，Aspergillus niger，Aspergillusoryzae，Candida Antarctica，Candida cylindracea，Candida lipolytica，Candida utilis，Mucor javanicus，Rhizopus miehei(Fluka公司)，Alcaligenessp.，Pseudomonas stutzeri(Meito Sangyo公司)以及Rhizopus arrhizus(RocheMol.Biochemical公司)等具有高选择性催化能力的纯酶或固定化酶。
实施例2：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在55℃下将0.01mol(2.67g)α-氰基-3-苯氧基苄醇乙酸酯，0.02mol正丙醇(1.2g)和83ml含有0％~1％水的四氢呋喃加入到250ml反应瓶中，然后加入250mg酶，搅拌反应20小时。溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为49％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为99％。
实施例3：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在室温下将0.03mol(7.6g)α-氰基-3-苯氧基苄醇甲酸酯，0.12mol异丙醇醇(7.2g)和250ml含有0％~1％水的乙醚加入到500ml反应瓶中，然后加入750mg酶，搅拌反应20小时。溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为49.5％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为96.2％。
实施例4：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在室温下将0.01mol(2.67g)α-氰基-3-苯氧基苄醇乙酸酯，0.1mol正丁醇(7.4g)和100ml含有0％~1％水的二氯甲烷加入到250ml反应瓶中，然后加入250mg酶，搅拌反应40小时。溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为47％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为99.1％。
实施例5：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在室温下将0.005mol(1.33g)α-氰基-3-苯氧基苄醇乙酸酯，0.0025mol甲醇(0.08g)和50ml含有0％~1％水的四氢呋喃加入到100ml反应瓶中，然后加入50mg酶，搅拌反应60小时。溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为48.8％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为99％。
实施例6：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在55℃下将0.005mol(1.27g)α-氰基-3-苯氧基苄醇甲酸酯，0.005mol氯丙醇(0.47g)和50ml含有0％～1％水的苯加入到100ml反应瓶中，然后加入100mg酶，搅拌反应32小时。溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为45.5％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为96％。
实施例7：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在70℃下将0.01mol(2.81g)α-氰基-3-苯氧基苄醇丙酸酯，0.01mol异丁醇(0.74g)和30ml含有0％～1％水的甲苯加入到50ml反应瓶中，然后加入250mg酶，搅拌反应20小时。溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为47.5％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为94％。
实施例8：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在0℃下将0.01mol(2.81g)α-氰基-3-苯氧基苄醇异丙酸酯，0.01mol仲丁醇(0.74g)和30ml含有0％～1％水的二氧六环加入到50ml反应瓶中，然后加入200mg酶，搅拌反应80小时。溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为46％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为98％。
实施例9：酶法拆分制备S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇
在20℃下将0.001mol(0.285g)α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇乙酸酯，0.002mol叔丁醇(0.148g)和20ml含有0％～1％水的氯仿加入到50ml反应瓶中，然后加入50mg酶，搅拌反应16小时。溶液中的S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇产率为46％，S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇的e.e.值为97.3％。
实施例10：酶法拆分制备S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇
在室温下将0.01mol(2.71g)α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇甲酸酯，0.2mol异戊醇(13.2g)和100ml含有0％～1％水的甲基叔丁基醚加入到250ml反应瓶中，然后加入100mg酶，搅拌反应100小时。溶液中的S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇产率为49.5％，S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇的e.e.值为85.5％。
实施例11：酶法拆分制备S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇
在室温下将0.05mol(14.95g)α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇丙酸酯，0.75mol正己醇(76.5g)和250ml含有0％~1％水的异丙醚加入到500ml反应瓶中，然后加入1.5g酶，搅拌反应30小时。溶液中的S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇产率为48.5％，S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇的e.e.值为83.6％。
实施例12：酶法拆分制备S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇
在55℃下将0.01mol(2.99g)α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇异丙酸酯，0.01mol正辛醇(1.3g)和50ml含有0％～1％水的异辛烷加入到500ml反应瓶中，然后加入200mg酶，搅拌反应60小时。溶液中的S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇产率为43.5％，S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇的e.e.值为73.6％。
实施例13：酶法拆分制备S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇
在室温下将0.05mol(14.25g)α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇乙酸酯，0.1mol异辛醇(13g)和200ml含有0％～1％水的正庚烷加入到500ml反应瓶中，然后加入1g酶，搅拌反应80小时。溶液中的S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇产率为40.5％，S-α-氰基-4-氟-3-苯氧基苄醇的e.e.值为60％。
实施例14：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在40℃下将0.01mol(2.67g)α-氰基-3-苯氧基苄醇乙酸酯，0.01mol十六醇(2.42g)和30ml含有0％～1％水的环己烷加入到50ml反应瓶中，然后加入250mg酶，搅拌反应60小时。溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为43.5％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为77.5％。
实施例1 5：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在室温下将0.001mol(0.267g)α-氰基-3-苯氧基苄醇乙酸酯，0.002mol正丁醇(0.148g)和10ml含有0％～1％水的正己烷加入到50ml反应瓶中，然后加入25mg酶，搅拌反应70小时。溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为44％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为67.5％。
实施例16：酶法拆分制备S-α-氰基-3-苯氧基苄醇
在室温下将0.005mol(1.265g)α-氰基-3-苯氧基苄醇甲酸酯，0.005mol正丁醇(0.37g)和20ml含有0％～1％水的正己烷/乙醚(体积比为80∶20)的混合溶剂加入到 50ml反应瓶中，然后加入100mg酶，搅拌反应45小时。溶液中的S-α-氰基-3-苯氧基苄醇和R-α-氰基-3-苯氧基苄醇含量用高效液相色谱分析，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇产率为47％，S-α-氰基-3-苯氧基苄醇的e.e.值为70.5％。
Claims (7)
1.一种酶法拆分光学活性氰醇的制备方法，其特征在于方法的步骤如下：
1)将消旋氰醇酯溶解在有机反应溶剂中，然后加入脂肪醇，加入的氰醇酯和脂肪醇的摩尔比为1∶0.1～1∶20，充分混合；
2)在反应体系中加入酶催化氰醇酯的醇解反应，然后在反应温度0℃～70℃下搅拌反应0.01～180小时，氰醇酯和酶的用量比为0.001～100mol氰醇酯/1克酶；
3)将反应液过滤，回收酶，即可获得具有高光学活性的S-氰醇。
2.根据权利要求1所述的一种酶法拆分光学活性氰醇的制备方法，其特征在于，所说的脂肪醇为甲醇、乙醇、氯丙醇、正丙醇、异丙醇、正丁醇、异丁醇、仲丁醇、叔丁醇、异戊醇、正己醇、正辛醇、异辛醇或十六醇。
3.根据权利要求1所述的一种酶法拆分光学活性氰醇的制备方法，其特征在于，所说的有机反应溶剂为正己烷、环己烷、正庚烷、异辛烷、甲苯、苯、甲基叔丁基醚、异丙醚、乙醚、四氢呋喃、二氧六环、二氯甲烷或氯仿或者上述溶剂相互混合获得的混合溶剂。
4.根据权利要求1所述的一种酶法拆分光学活性氰醇的制备方法，其特征在于，所说的氰醇酯为氰醇甲酸酯、氰醇乙酸酯、氰醇丙酸酯或氰醇异丙酸酯。
5、根据权利要求1所述的一种酶法拆分光学活性氰醇的制备方法，其特征在于，所说的有机溶剂中含有0％～2％重量的水。
6、根据权利要求1所述的一种酶法拆分光学活性氰醇的制备方法，其特征在于，所说的反应温度为20℃～55℃。
7、根据权利要求1所述的一种酶法拆分光学活性氰醇的制备方法，其特征在于，所说的反应时间为0.5～120小时。
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2004
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