CN1928102B - 一种拆分β-氨基酸的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种拆分β-氨基酸的新方法，它是将氨基酸N酰化后，通过选择合适的酶，高选择性地将其中一种构型的N酰化β-氨基酸的酰基水解，而它的对应体不发生酰基水解反应，然后，根据上述物质的脂水溶解性质的差异，用萃取的方法进行分离，进而得到相应的光学纯的β-氨基酸；然后，选择另外一种酶再将它的对应体N酰化β-氨基酸的酰基水解，得到相应的另外一种光学纯的β-氨基酸。本发明方法稳定，环保，安全，低成本、生产条件温和，同时光学纯度高达99.9％，此方法为工业化生产光学纯的β-氨基酸提供了一种新的途径。
Description
技术领域
本发明涉及一种拆分β-氨基酸的方法，具体地说是用两种酰化酶(酰基转移酶)来拆分制备单一构型β-氨基酸的方法，属于有机合成领域。
背景技术
光学活性的β-氨基酸存在于天然物质如生物碱和抗生素中，游离态的光学活性非天然氨基酸及其衍生物表现出令人感兴趣的药理作用，而且也用于改性肽的合成，它们作为医药制备重要中间体的日益重要性，他们的分离愈加引起了人们的兴趣。光学活性的β-氨基酸是许多国外已上市或准备上市的药物的重要中间体。如：Vicuron制药公司开发的抗菌药Deoxynegamycin(2-[2-[3(R)，6-Diaminohexanoyl]-1-methylhydrazino]acetic acid)，NitroMed公司开发的心血管药Paclitaxel-SNO(7-0-[3-Methyl-3-butyryl]paclitaxel)(nitrososulfanyl)，Merck KGaA公司开发的治疗胃肠道疾病的抗生素阿扑西林(Aspoxicillin)，用于抑制乳汁分泌的甲麦角(Metergoline)，用于治疗恶性肿瘤乌苯美司(Ubenimex)，抗溃疡病药罗塞帕泛(Rotraxate)等等。
作为单一构型β-氨基酸制备方法，迄今已建立了经由非对映异构盐的常规外消旋体拆分方法(建议路线：H.Boesch et al.，Org.Proc.Res.Developm.2001，5，23-27)，特别是苯乙基酰胺锂的非对映选择性加成的拆分方法(A.F.Abdel-Mafid，J.H.Cohen，C.A.Maryanoff，Curr.Med.Chem.1999，6，955-970)。尽管会带来许多不利，但是后者方法已经被集中研究并优选使用。一方面，需要化学计量的手性试剂，与催化不对称方法相比，这是主要的缺点。此外，需要昂贵且危险的辅助物质，如正丁基锂来通过去质子化而活化化学计量试剂。另外，为了得到满意的立体选择性，在约-70℃的低温进行反应是重要的，这意味着对反应器材料、附加成本及高能量消耗的高要求。
通过生物催化方式制备光学活性的β-氨基酸，它不需要使用化学计量的手性试剂，只需要使用少量的催化酶，酶是对自然和环境友好的催化剂。与大量合成的含金属催化剂相比，除了它们的催化特性和高活性外，这些在水介质中高效使用的生物催化剂具有可能不需要使用含金属、尤其是含重金属并因此是有毒物质的优点。
例如，在现有技术中，对映选择性的β-氨基羧酸的N-酰化已经被报道多次。
例如，于Tetrahedron：Asymmetry，Vol.7，No.6，p.1707-1716，1996，L.T.Kanerva等人描述了不同脂环族β-氨基羧酸乙酯在有机溶剂中使用2，2，2-三氟乙酯和来自Candida antarctica脂肪酶SP526或者来自Pseudomonas cepacia的脂肪酶PS作为生物催化剂的对映选择性N-酰化。
V.M.Sanchez等研究了使用来自Candida antarctica的脂肪酶经由N-酰化β-氨基羧酸酯制备的(±)-乙基-3-氨基丁酸酯的生物催化外消旋体拆分(Tetrahedron：Asymmetry，Vol.8，No.1，p.37-40)。
EP-A-8 890 649公开了在水解酶存在下通过羧酸酯的对映选择性酰化从外消旋氨基酸酯中制备光活性氨基酸酯，以及接着分离未转换氨基酸酯对映体的方法，其中水解酶自选：包括酰胺酶、蛋白酶、酯酶和脂肪酶。
为了得到单一构型的β-氨基酸，很久前就已知将它们的酯与脂肪酶反应。在US5518903中，该原理已被转化为N-保护的β-氨基酸，但是却有不同的成功程度。当只有外消旋N-叔丁氧基羰基-β-氨基酸的相应苄基酯可以通过脂肪酶以高度对映选择性方式拆分时，残留的甲基酯和正丁基酯仅实现ee值在70％左右。需要注意的是从相应甲基酯到正丁基酯的转变明显伴随着所制备酸ee值的降低。例如，用得自Asahi的脂肪酶从N-Boc-β-氨基酸起始的酯水解在8天后以37％的产率给出相应酸的ee值为45％ee。使用得自Amano的脂肪酶PS时，相同反应在7天内以41％的产率可以获得富集到61％ee的化合物。相比而言，相应的甲基酯为70％ee。
最近Faulconbridge等报道的结果表明用Amano的脂肪酶PS在pH8时发生芳香β-氨基羧酸乙酯的酯水解，带有可接受的产率和非常好的对映体过量(Tetrahedron Letters2000，41，2679-81)。获得产品的对映体纯度高达99％，但是该合成仅仅在悬浮液中进行，有一些缺点。一方面，已经发现尽管在这些条件下结晶是选择性的，但是，反应本身导致了较低的ee值为85.1％ee。总之，这意味着一方面由于形成不希望的对映体而造成产率的损失，另一方面由于改变的结晶条件，与轻微的方法变化有关的ee值可能容易地降到99％ee以下，或者甚至降到商业规格98％ee以下。特别是R为烷基的ee值很难达到98％以上。但是，药物应用需要尽可能高的ee值＞98％ee，尤其是＞99％ee。该方法还有一个很大的缺点是β-氨基酸的酯同样是一个极性很大的化合物，在水中，分离β-氨基酸的酯和β-氨基酸是一件困难的事情，特别是R为短链烷基的β-氨基酸。这种方法在选择性上的不稳定性，在分离方法的繁琐都限制了其在工业规模上的应用。
WO-A-98/50575报道了为了立体选择性地酰化外消旋β-氨基羧酸的对映体，外消旋N-苯乙酰基β-氨基酸与青霉素G酰基转移酶在一定条件下接触，从而获得手性β-氨基羧酸的方法。其中，R构型得到游离的氨基酸＞99％ee，而S构形基本上未转化。未转化的S-N-苯乙酰基β-氨基酸再用化学方法脱掉苯乙酰基保护基(自然界尚未发现催化该构型苯乙酰基水解的酶)，得到S构形的β-氨基羧酸。但通常S构型的β-氨基酸ee值为95％以下且不确定(80-95％ee)。该方法还有一个主要的缺点是苯乙酰基是青霉素G酰基转移酶唯一可以作用的底物；而N-苯乙酰基-β-氨基酸的合成需要苯乙酰氯作为原料，一方面，苯乙酰氯气味难闻，有较大的毒性和腐蚀性，不符合环保要求，另一方面，其昂贵的价格也是不能忽略的缺点。也已经研究了相反的反应顺序
(V.A.Soloshonok，V.K.Svedas，V.P.Kukhar，A.Gkirilenko，A.V.Rybakova，V.A.Solodenko，N.A.Fokina，O.V.Kogut，I.Y.Galaev，E.V.Kozlova，I.P.Shishkina，S.V.Galushko，Synlett1993，399-341；V.Soloshonok，A.G.Kirilenko，N.A.Fokina，I.P.Shishkina，S.V.Galushko，V.P.Kukhar，V.K.Svedas，E.V.Kozlova，Tetrahedron：Asymmetry，1994，5，1119-1126；V.Soloshonok，N.A.Fokina，A.V.Rybakova，I.P.Shishkina，S.V.Galushko，A.E.Sochorinsky，V.P.Kukhar，M.V.Savchenko，V.K.Svedas，Tetrahedron：Asymmetry，1995，6，1601-1610；G.Cardillo，A.Tolomelli，C.Tomasini，Eur.J.Org.Chem.1999，155-161)。该方法是在有机相中，用青霉素G酰基转移酶合成R构型的N-苯乙酰基β-氨基酸(98％)，S构型的游离氨基酸(95％ee)。该方法的缺点是产物混合物很难进行随后的分离。分离游离β-氨基羧酸后，获得很难分离的苯乙酸和N-苯乙酰基-β-氨基羧酸的混合物。还有个重要的缺陷是文献采用的酶是Altus公司的交联酶晶体，价格昂贵，不可能达到工业应用的规模，采用国产的固定化青霉素G酰化酶根本不能发生上述的反应。
单一构型β-氨基酸在药物合成中占有的重要地位，要求这些重要的β-氨基酸能工业化生产。这需要稳定，环保，安全，低成本且不苛刻的生产条件。迄今为止的文献方法不能实现这样的目标。
发明内容
为了实现上述目标，本发明的目的在于提供一种拆分β-氨基酸的方法，它是将氨基酸N酰化后，通过酶解，其中一种构型的N酰化β-氨基酸的酰基水解，得到对应的β-氨基酸，而它的对应构型N酰化β-氨基酸的不被水解，从而根据上述物质的脂水溶解性质的差异通过萃取分开；再用选择另一种酶将对应构型N酰化β-氨基酸水解得到相应氨基酸，从而得到单一构型β-氨基酸。
具体地说，方法之一，它是通过β-氨基酸酰化酶(β-Amino acylase)专一性水解(R)构型N-酰基β-氨基酸的酰胺基，生成游离的R-β-氨基酸，而(S)构型N-酰基β-氨基酸的酰胺基不被水解而拆分消旋β-氨基酸，分别得到(R)构型和(S)构型的β-氨基酸的方法；其中，所述β-氨基酸酰化酶是源于Pseudomonas putida IFO 12996，Brevibacillus agri NCHU1002等菌株的β-氨基酸酰化酶(β-Amino acylase)。不同菌株来源的酶同源性在90％左右，认为是同一种酶。这种酶的特点是可以高度专一性水解(R)构型N-酰基β-氨基酸的酰胺基，生成游离的R-β-氨基酸，而(S)N-酰基β-氨基酸不能被该酶作用。该种酶在天然状态下，可以水解的酰基包括甲酰基，乙酰基，丙酰基，正丁酰基，并且这些酰基的氢原子可以被一个或者多个卤素原子取代，这些氢原子同样可以被氨基取代。
方法之二，它是通过源于猪肾的氨基酰化酶I(porcine kidney acylase I)专一性水解(S)构型N-酰基β-氨基酸的酰胺基，生成游离的S-β-氨基酸，而(R)构型N-酰基β-氨基酸的酰胺基不被水解而拆分消旋β-氨基酸，分别得到(S)构型和(R)构型的β-氨基酸的方法。
方法之三，它是通过采用PEG与2吡啶基二硫修饰，使PEG通过二硫键直接连接到酶蛋白的巯基上得到的修饰酶催化水解S构型N-苯乙酰基β-氨基酸，得到游离的S构型β-氨基酸，而R构型的N-苯乙酰基β-氨基酸分离后采用化学方法水解或者青霉素G酰基转移酶水解得到游离的N构型β-氨基酸。
本发明拆分方法所述β-氨基酸为伯氨基(-NH2)与β炭原子直接相连的氨基酸分子。具有以下结构：
其中，
R1代表(C1-C8)-烷基、(C2-C8)-烯基、(C2-C8)-炔基、(C3-C8)-环烷基、(C6-C18)-芳基、(C7-C19)-芳烷基、(C3-C18)-杂芳基、(C4-C19)-杂芳烷基、((C1-C8)-烷基)1-3-(C3-C8)-环烷基、((C1-C8)-烷基)1-3-(C6-C18)-芳基、((C1-C8)-烷基)1-3-(C3-C18)-杂芳基；
R2代表H、(C1-C8)-烷基、(C2-C8)-烯基、(C2-C8)-炔基、(C3-C8)-环烷基、(C6-C18)-芳基、(C7-C19)-芳烷基、(C3-C18)-杂芳基、(C4-C19)-杂芳烷基、((C1-C8)-烷基)1-3-(C3-C8)-环烷基、((C1-C8)-烷基)1-3-(C6-C18)-芳基、((C1-C8)-烷基)1-3-(C3-C18)-杂芳基。
拆分前所述β-氨基酸转换成具有以下结构的N-酰基β-氨基酸作为拆分的底物：
其中，
R3代表(C1-C4)-烷基，或这些酰基的1个氢原子可以被其他原子或基团(主要是卤素原子或者氨基取代)，或苯乙基。
原则上，本领域技术人员可以随意选择酰基。用于保护氨基的酰基，目的是两种构型的产物可以方便的分离。基于这种考虑，对于大极性氨基酸，需要能减小其极性的酰基，以帮助两个构型产物的分离，很自然的，本发明采用了芳酰基。但前述的这种天然的β-氨基酸酰化酶不能催化N-芳酰基β-氨基酸的水解，来源于猪肾的氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)也没有需要的功能。
通过比较β-氨基酸酰化酶与青霉素G酰基转移酶在蛋白质序列上的差异，采用PEG-胺修饰蛋白质巯基的方法(C Paul，J Vincentelli..Phytochemistry35：1413-1417，1994)。经过修饰的新酶可以催化大部分N-芳酰基β-氨基酸的选择性水解。经过该方法修饰后，新酶催化水解S构型N-苯乙酰基β-氨基酸水解，产生游离的S构型氨基酸，R构型的N-苯乙酰基β-氨基酸可以采用化学方法水解或者青霉素G酰基转移酶水解。
因此本发明采用PEG的2吡啶基二硫衍生物修饰β-氨基酸酰化酶，使PEG通过二硫键直接连接到酶蛋白的巯基上得到。该酶在天然状态下不能水解N-苯乙酰基β-氨基酸；但在用PEG-胺修饰之后可以水解S-N-苯乙酰基β-氨基酸，生成游离的S-β-氨基酸。该酶的天然状态解释为该酶的氨基酸残基没有经过化学修饰。该酶任何形式的固定化仍属于天然状态。与之对应的选择水解R-N-苯乙酰基β-氨基酸的酶，是青霉素G酰基转移酶，可以得到游离的R-β-氨基酸。该方法主要针对大极性β-氨基酸，采用苯乙酰基，可以减小极性，方便两个构型之间产物的分离。
具体地说，本发明可以通过以下任一方法实现：
本发明提供的拆分β-氨基酸的方法之一，包括以下步骤：
a、合成消旋体化合物N酰化β-氨基酸；
b、pH为7.0-8.0条件下，30-50℃温度，用β-氨基酸酰化酶(β-Amino acylase)水解反应10-1000分钟后，调节pH为1-3，用疏水性溶剂，比如MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，水相为R-β-氨基酸；有机相为(S)构型N-酰基β-氨基酸；
c、(S)构型N-酰基β-氨基酸于pH为7.8-8.0条件下，30-40℃反应温度下加入氨基酰化酶I(porcine kidney acylase I)，反应10-1000分钟，得到S-β-氨基酸。
本发明提供的拆分β-氨基酸的方法之二，包括以下步骤：
a、合成消旋体化合物N酰化β-氨基酸；
b、pH为7.8-8.0条件下，30-40℃温度，用氨基酰化酶I(porcine kidney acylase I)水解反应(10-1000)分钟后，调节pH为1-3，用疏水性溶剂，比如MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，水相为S-β-氨基酸；有机相为(R)构型N-酰基β-氨基酸；
c、(R)构型N-酰基β-氨基酸，于pH为7.0-8.0条件下，30-50℃反应温度下加入β-氨基酸酰化酶(β-Amino acylase)，反应10-1000分钟，得到R-β-氨基酸。
本发明提供的拆分β-氨基酸的方法之三，包括以下步骤：
a、合成消旋体化合物N酰化β-氨基酸；
b、β-Amino acylase的修饰
PEG与2吡啶基二硫联结成衍生物，将酶蛋白置于缓冲液中，加入PEG的2吡啶基二硫衍生物，0-5℃缓慢搅拌12小时，再用石油醚萃取，低温抽走石油醚，得到修饰酶；
c、消旋体化合物N酰化β-氨基酸，于pH为7.0-8.0，在30-50℃反应温度下加入修饰后的β-Amino acylase，1-10小时后结束反应，调节pH为1-3，疏水性溶剂，比如MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，水相为S-3氨基-己酸；有机相蒸干后得到R-N酰化β-氨基酸；
d、R-N酰化β-氨基酸，溶于氢氧化钠溶液，调节pH为7.5-8.0，在20-30℃反应温度下加入青霉素G酰基转移酶，1-10小时反应时间后，结束反应得到R-β-氨基酸。
上述方法中，在水相的S-β-氨基酸或R-β-氨基酸在量大时都可通过结晶方式得到，也可以在pH为8.5-11，加入Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应0.5-3小时后，调节pH为1-3，用疏水性溶剂，比如MTBE(甲基叔丁基醚)萃取、蒸干溶剂，得到Boc保护的相应构型的氨基酸，通过HCl溶液水解，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，收集得到相应构型的氨基酸。
本发明涉及到的反应参数通常是由常规试验对每种情况单独确定。对于本发明采用的温度，最重要的指标是反应温度下该酶的选择性是否能使目标化合物达到要求的ee％，从比较研究发现，30-40℃条件下，所使用的酰基转移酶都能保证很快的反应速度和很高的选择性。关于反应的pH，对于β-氨基酸酰化酶，pH在7-8，对反应速度和选择性没有影响；对于来源于猪肾的氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)，则要求pH精确控制在7.8-8.0；青霉素G酰基转移酶则需要pH精确控制在7.5-8.0，才能保证较快的反应速度。
本发明的反应可以在为此提供的任何容器中进行。这些反应容器包括常规间歇式反应釜，环管式反应器，酶-膜反应器。在发明者的研究中，从1mL到10m3规模，该方法，无论是天然状态的酶还是经修饰的酶都有相同的效果。本发明采用水相介质，但某些情况下，向反应体系中加入水溶性有机溶剂是有利的，这种有利表现在对于某些N-酰基β-氨基酸，加入有机溶剂后，其浓度增大，提高了效率；对某些结构的β-氨基酸，其ee％有所提高。
本发明涉及的化合物结构中，
(C1-C8)-烷基被认为是甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、己基、庚基或辛基，包括双健不同位置的所有异构体。它们可以被(C1-C8)-烷氧基、(C1-C8)-卤烷基、OH、卤素、NH2、NO2、SH、S-(C1-C8)-烷基单取代或多取代。(C3-C8)-烷基也可以这么认为。
(C2-C8)-烯基被理解成是除甲基外，含有至少一个双健的如上所述的(C1-C8)-烷基。
(C2-C8)-炔基被理解成是除甲基外，含有至少一个三健的如上所述的(C1-C8)-烷基。
(C1-C8)-酰基被理解成是经由-C＝O-官能团与分子结合的(C1-C8)-烷基。
(C3-C8)-环烷基被理解成是环丙基、环丁基、环戊基、环己基或环庚基等。它们可以被一个或多个卤素原子和/或含N、O、P、S原子的基团所取代、和/或具有含有N、O、P、S原子的环基团，例如1-，2-，3-，4-哌啶基、1-，2-，3-吡咯烷基、2-，3-四氢呋喃基、2-，3-，4-吗啉基。此类基团可以被(C1-C8)-烷氧基、(C1-C8)-卤烷基、OH、卤素、NH2、NO2、SH、S-(C1-C8)-烷基、(C1-C8)-酰基、(C1-C8)-烷基单取代或多取代。
(C6-C18)-芳基被理解成是含有6到18个碳原子的芳基基团。得别的，它们包含苯基、蒽基、菲基、联苯基。此类基团可以被(C1-C8)-烷氧基、(C1-C8)-卤烷基、OH、卤素、NH2、NO2、SH、S-(C1-C8)-烷基、(C1-C8)-酰基、(C1-C8)-烷基单取代或多取代。
(C7-C19)-芳烷基是经由(C1-C8)-烷基与分子结合的(C6-C18)-芳基。
(C1-C8)-烷氧基是经由氧原子与所述分子键合的(C1-C8)-烷基。
(C1-C8)-烷氧羰基是经由-OC(O)-官能团与所述分子结合的(C1-C8)-烷基。相同的描述类似地应用于其它的氧羰基。
(C1-C8)-卤烷基由一个或多个卤原子取代的(C1-C8)-烷基。
在本发明的范围内，(C3-C18)-杂芳基表示具有3到18个碳原子并且在环上含有诸如N、O、S杂原子的五、六、七原芳环系统。这些芳环化合物被特别地认为是如下基团：1-，2-，3-呋喃基、1-，2-，3-吡咯基、1-，2-，3-噻吩基、2-，3-，4-吡啶基、2-，3-，4-，5-，6-，7-吲哚基、3-，4-，5-吡唑基、2-，4-，5-咪唑基、吖啶基、喹啉基、菲啶基、2-，3-，4-，5-，6-嘧啶基。此类基团可以被(C1-C8)-烷氧基、(C1-C8)-卤烷基、OH、卤素、NH2、NO2、SH、S-(C1-C8)-烷基、(C1-C8)-酰基、(C1-C8)-烷基单取代或多取代。
C4-C19-杂芳烷基被理解成相应于(C7-C19)-芳烷基的杂芳香系统。
适当的卤素是氟、氯、溴和碘。
本发明的特点是采用两种具有不同选择性的酰化酶(酰基转移酶)来拆分N-酰基β-氨基酸。其优点之一是可以用最温和的生物催化的方法得到任何一种需要构型的β-氨基酸。避免了某些特殊结构β-氨基酸在强酸性条件下分解的可能。优点之二是可以根据需要的构型选择酶，用最短的步骤得到需要的产品，大大提高了生产效率。本发明提供的拆分方法从经济和生态学角度来看，是对商业规模有利的方法，也就是说该方法在环境的相容性、工作区的安全性和方法的稳健性，以及时空效率和选择性方面特别突出。
具体实施方式
以下通过实施例形式的具体实施方式，对本发明的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实例，凡基于本发明上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例一(比较例1 3-苯基-3-氨基-丙酸乙酯的拆分)
a，底物的合成：10g3-苯基-3-氨基-丙酸(购买)装入100mL反应瓶，加入50mL乙醇，0℃滴加5g二氯亚砜，室温反应约2-8小时，反应完毕。蒸干溶剂，得3-苯基-3-氨基-丙酸乙酯的盐酸盐13g，收率95％；
b，拆分反应及检测：
10mmol(毫摩尔)消旋体化合物3-苯基-3-氨基-丙酸乙酯的盐酸盐，溶于50mL水，调节pH为7.5-8.5。在30℃反应温度下加入10mgAmano脂肪酶PS，3小时反应时间后，取出部分反应液处理。加入50mL乙酸乙酯萃取(R)3-苯基-3-氨基-丙酸乙酯，在旋转蒸发仪上蒸干，得(R)3-苯基-3-氨基-丙酸乙酯1.5g，测定ee值为40％；水相调节pH为9-10，加入适量Boc20(碳酸二叔丁酯)，反应室温反应1小时。1MHCl调节pH为2-3，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸1g；测定ee值为90％.为处理的反应液继续反应8小时，按前述的分离方法分离得到(R)3-苯基-3-氨基-丙酸乙酯，ee值为80％；(S)S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸，ee值为85％。ee值用HPLC确定。
实施例二(比较例2 3-苯基-3-苯乙酰氨基-丙酸的拆分)
a、消旋体底物的合成：10g3-苯基-3-氨基-丙酸(购买)装入100mL反应瓶，加入50mL水，加入碳酸钾12.5g，-20℃滴加苯乙酰氯14.5g，低温(0℃以下)反应2小时。调节pH为1，析出白色固体16g，收率93％。
b、拆分反应及检测：
10mmol消旋体化合物3-苯基-3-苯乙酰氨基-丙酸，溶于50mLNaOH溶液(1mol/L)，调节pH为7.5-8.5。在30℃反应温度下加入10mg青霉素G酰基转移酶，30分钟反应时间后，取部分反应液分离产物。用1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取未反应的S-3-苯基-3-苯乙酰氨基-丙酸，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-苯乙酰氨基-丙酸，测定ee值为70％；萃取后的水层用1MNaOH溶液调节pH为9.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为2-3，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得R-3-苯基-3-N-Boc-丙酸.测定ee值为99％。未处理的部分继续反应3小时，按相同的方法分离产物，(S)-3-苯基-3-苯乙酰氨基-丙酸的ee值为99％.，R-3-苯基-3-N-Boc-丙酸ee值为95％。
c、(S)-3-苯基-3-苯乙酰氨基-丙酸的脱苯乙酰基反应及检测。
(S)-3-苯基-3-苯乙酰氨基-丙酸加入6NHCl回流水解苯乙酰基，6小时后反应完全，蒸干水，得(S)-3-苯基-3-氨基-丙酸的盐酸盐，溶于20ml水。用1MNaOH溶液调节pH为9.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为2-3，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸。测得ee值为85％。ee值用HPLC确定
实施例三 用两种酶拆分3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸(小试)
a、合成消旋体底物：3-苯基-3-氨基-丙酸可以从市场方便的买到。将10mmol消旋体化合物3-苯基-3-氨基-丙酸溶于10mLNaOH溶液(2mol/L)。0℃下滴加醋酸酐12毫摩尔，5分钟后反应完全。调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取产物，在旋转蒸发仪上蒸干得3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸。
b、β-Amino acylase拆分反应及检测
10mmol消旋体化合物3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸，溶于50mlNaOH溶液，调节pH为7.0-8.0。在40℃反应温度下加入10mgβ-Amino acylase，30min反应时间后，用1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取未反应的S-3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸，测定ee值为90％；
萃取后的水层用1MNaOH溶液调节pH为9.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时，1MHCl调节pH为2-3，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得R-3-苯基-3-N-Boc-丙酸，测定ee值为99％，转化率为45％。R-3-苯基-3-N-Boc-丙酸加入适量6MHCl，室温反应2小时，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，30℃反应1小时，得白色固体，为R-3-苯基-3氨基-丙酸，得0.5克，产率80％。
c、氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)催化的拆分
1克，约5mmolS-3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸，溶于20mlNaOH溶液，调节pH为7.8-8.0。40℃反应温度下加入10mg氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)，5分钟后，底物完全反应，反应液用1MNaOH溶液调节pH为9.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸。S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸加入适量6MHCl，室温反应2小时，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，30℃反应1小时，得白色固体，为S-3-苯基-3氨基-丙酸，得0.45克，产率70％，ee值为99％。ee值用HPLC确定。
实施例四 用两种酶拆分3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸(放大)
a、合成消旋体底物：200L反应釜，加入100L水，加入8kgNaOH，溶解后，加入25kg3-苯基-3-氨基-丙酸，体系降温至0℃，滴加醋酸酐10kg，反应1小时后，再加入2kgNaOH，然后在滴加醋酸酐6kg，1小时后反应完全。调节pH为1，析出白色固体，过滤(或离心)，再用清水洗涤，烘干，得3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸30kg，收率95.65％.化学纯度99％。
b、β-Amino acylase拆分反应及产物纯化检测
用1000L反应釜的放大试验。20.7kg(100mol)消旋体化合物3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸，溶于500LNaOH(4.2kg)溶液，调节pH为7.0-8.0。在40℃反应温度下加入100gβ-Amino acylase，3小时反应时间后，测定(R)-3-苯基-3-氨基-丙酸的转化率和ee％。转化率为45％，ee值为99％ee；(S)-3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸的ee值为90％，结束反应。拆分后的反应液用1MHCl调节pH为1，析出为反应的S-3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸8kg，再用MTBE(甲基叔丁基醚)萃取未析出的S-3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸，蒸干得S-3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸2kg。
水相用碳酸钾调节pH为6.5，60℃减压蒸馏蒸掉约400升水，开始析出固体，加入约i00L乙醇，降温至0℃，搅动1小时，析出大量白色固体。离心分离固体，并用约50L水洗涤固体，烘干，得固体6.2kg，为产品R-3-苯基-3-氨基-丙酸，纯度99％，收率75％。
c、氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)催化的拆分
10kg S-3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸，溶于200LNaOH(2KG)溶液，调节pH为7.8-8.0。40℃反应温度下加入10g氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)，1小时后，底物完全反应，ee值为99％。调pH为6.5，60℃减压蒸馏蒸掉约150L水，加入乙醇50L，降温至0℃，搅动1小时，析出大量白色固体。离心分离固体，并用约50L水洗涤固体，烘干，得固体5.5kg，为产品S-3-苯基-3-氨基-丙酸，化学纯度99％，收率66.7％。
产物的化学纯度，ee值用HPLC确定。
实施例五 3-乙酰氨基-3-喹啉-丙酸的拆分
a、合成消旋体底物：3-喹啉-3-氨基-丙酸可以简单的合成。将10mmol消旋体化合物3-喹啉-3-氨基-丙酸溶于10mLNaOH溶液(2mol/L)。0℃下滴加醋酸酐12mmol，5分钟后反应完全。调节pH为3，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取产物，在旋转蒸发仪上蒸干得3-喹啉-3-乙酰氨基-丙酸。
b、氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)催化的拆分及检测
10mmol消旋体化合物3-Acetylamino-3-quinolin-3-yl-propionic acid(3-乙酰氨基-3-喹啉-丙酸)，溶于50mLNaOH溶液，，加入乙醇20mL，使完全溶解。调节pH为7.8-8.0。在40℃反应温度下加入10mg氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)，1小时反应时间后，结束反应。调节pH为3，蒸干乙醇，析出(R)3-乙酰氨基-3-喹啉-丙酸。再用MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，蒸干得到(R)3-乙酰氨基-3-喹啉-丙酸，共计1.2g，约5mmol。水相调节pH为8.8，蒸掉大部分水，加入乙醇，析出固体(S)3-氨基-3-喹啉-丙酸1g，，转化率为45％，ee值为99％ee，化学纯度99％。
c、β-Amino acylase拆分反应及产物纯化检测
分离出(R)3-乙酰氨基-3-喹啉-丙酸1.2克，约5mmol，溶于20mLNaOH溶液，调节pH为7.0-8.0。40℃反应温度下加入10mgβ-Amino acylase，1小时后，调节pH为8.8，蒸掉大部分水，加入乙醇，析出固体(R)3-氨基-3-喹啉-丙酸1g，，ee值为99％，化学纯度99％，收率90％。化学纯度和ee值用HPLC确定。
实施例六 3-苯乙酰氨基-己酸的拆分
a、合成消旋体底物：3-氨基-己酸可以从市场容易的买到。13.1g(0.1mol)3-氨基-己酸(购买)装入100mL反应瓶，加入50mL水，加入碳酸钾18.5g，-20℃滴加苯乙酰氯16.5g，低温(0℃以下)反应2小时。调节pH为1，析出白色固体20g，用水，石油醚洗涤，收率80％，纯度95％。
b、β-Amino acylase的修饰
PEG与2吡啶基二硫联结成衍生物，将酶蛋白置于缓冲液中，加入PEG的2吡啶基二硫衍生物，0℃缓慢搅拌12小时。再用石油醚萃取，低温抽走石油醚，得到修饰酶。修饰酶用3-苯基-3-苯乙酰氨基-丙酸作为标准底物测定活性，1个活性单位u表示1分钟，催化1mmol底物转化所需要的酶量。经修饰后，酶活力达到200u/g以上活力的修饰酶可以用来做反应。
c、修饰后的β-Amino acylase拆分反应及产物纯化检测
10mmol消旋体化合物3-苯乙酰氨基-己酸，溶于50mLNaOH溶液，调节pH为7.0-8.0。在50℃反应温度下加入10mg修饰后的β-Amino acylase，1小时反应时间后，结束反应。调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取(R)-3-苯乙酰氨基-己酸，蒸干后得到1.5g(R)-3-苯乙酰氨基-己酸，ee值为70％。水相调节pH为10.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-N-Boc-己酸，测定ee值为99％。S-3-N-Boc-己酸加入适量6MHCl，室温反应2小时，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，30℃反应1小时，得白色固体，为S-3氨基-己酸，得0.45克，产率70％。
d、青霉素G酰基转移酶催化的拆分反应及产物纯化检测
(R)-3-苯乙酰氨基-己酸，溶于20mLNaOH溶液，调节pH为7.5-8.0。在25℃反应温度下加入10mg青霉素G酰基转移酶，1小时反应时间后，结束反应。用1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取未反应的S-3-苯乙酰氨基-己酸，水相调节pH为10.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得R-3-N-Boc-己酸，测定ee值为99％。R-3-N-Boc-己酸加入适量6MHCl，室温反应2小时，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，30℃反应1小时，得白色固体，为R-3氨基-己酸，得0.5克，产率75％。
实施例七 3-苯基-3-丙酰氨基-丙酸拆分
a、合成消旋体底物：3-苯基-3-氨基-丙酸可以从市场方便的买到。将10mmol消旋体化合物3-苯基-3-氨基-丙酸溶于10mLNaOH溶液(2mol/L)。0℃下滴加丙酸酐12mmol，5分钟后反应完全。调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取产物，在旋转蒸发仪上蒸干得3-苯基-3-丙酰氨基-丙酸。
b、β-Amino acylase拆分反应及检测
10mmol消旋体化合物3-苯基-3-丙酰氨基-丙酸，溶于50mLNaOH溶液，调节pH为7.0-8.0。在40℃反应温度下加入10mgβ-Amino acylase，50分钟反应时间后，用1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取未反应的S-3-苯基-3-丙酰氨基-丙酸，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-丙酰氨基-丙酸，测定ee值为90％；萃取后的水层用1MNaOH溶液调节pH为9.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为2-3，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得R-3-苯基-3-N-Boc-丙酸.测定ee值为99％，转化率为45％。R-3-苯基-3-N-Boc-丙酸加入适量6MHCl，室温反应2小时，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，30℃反应1小时，得白色固体，为R-3-苯基-3氨基-丙酸，得0.5克，产率80％。
c、氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)催化的拆分
1克，约5mmolS-3-苯基-3-丙酰氨基-丙酸，溶于20mlNaOH溶液，调节pH为7.8-8.0。40℃反应温度下加入10mg氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)，30分钟后，底物完全反应，拆分后的反应液用1MNaOH溶液调节pH为9.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸。S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸加入适量6MHCl，室温反应2小时，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，30℃反应1小时，得白色固体，为S-3-苯基-3氨基-丙酸，得0.45克，产率70％，ee值为99％。ee值用HPLC确定。
这两种酶拆分3-苯基-3-丙酰氨基-丙酸的反应速度比拆分3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸要慢一些。
实施例八 3-苯基-3-丁酰氨基-丙酸拆分
a、合成消旋体底物：3-苯基-3-氨基-丙酸可以从市场方便的买到。将10mmol消旋体化合物3-苯基-3-氨基-丙酸溶于10mLNaOH溶液(2mol/L)。0℃下滴加丁酸酐12毫摩尔，5分钟后反应完全。调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取产物，在旋转蒸发仪上蒸干得3-苯基-3-丁酰氨基-丙酸。
b、β-Amino acylase拆分反应及检测
10mmol消旋体化合物3-苯基-3-丁酰氨基-丙酸，溶于50mLNaOH溶液，调节pH为7.0-8.0。在40℃反应温度下加入10mgβ-Amino acylase，2小时反应时间后，用1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取未反应的S-3-苯基-3-丁酰氨基-丙酸，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-丁酰氨基-丙酸，测定ee值为90％；萃取后的水层用1MNaOH溶液调节pH为9.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为2-3，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得R-3-苯基-3-N-Boc-丙酸.测定ee值为99％，转化率为45％。R-3-苯基-3-N-Boc-丙酸加入适量6MHCl，室温反应2小时，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，30℃反应1小时，得白色固体，为R-3-苯基-3氨基-丙酸，得0.5克，产率80％。
c、氨基酰化酶I(porcine kidney acylase I)催化的拆分
1克，约5mmolS-3-苯基-3-丁酰氨基-丙酸，溶于20mLNaOH溶液，调节pH为7.8-8.0。40℃反应温度下加入10mg氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)，3小时后，底物完全反应，拆分后的反应液用1MNaOH溶液调节pH为9.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸。S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸加入适量6MHCl，室温反应2小时，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，30℃反应1小时，得白色固体，为S-3-苯基-3氨基-丙酸，得0.45克，产率70％，ee值为99％。ee值用HPLC确定。
这两种酶拆分3-苯基-3-丁酰氨基-丙酸的反应速度更慢。
实施例九 用两种酶拆分3-苯基-3-氯乙酰氨基-丙酸
a、合成消旋体底物：3-苯基-3-氨基-丙酸可以从市场方便的买到。将10mmol消旋体化合物3-苯基-3-氨基-丙酸溶于10mLNaOH溶液(2mol/L)。0℃下滴加氯乙酸酐12毫摩尔，5分钟后反应完全。调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取产物，在旋转蒸发仪上蒸干得3-苯基-3-氯乙酰氨基-丙酸。
b、β-Amino acylase拆分反应及检测
10mmol消旋体化合物3-苯基-3-氯乙酰氨基-丙酸，溶于50mLNaOH溶液，调节pH为7.0-8.0。在40℃反应温度下加入10mgβ-Amino acylase，20分钟反应时间后，用1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取未反应的S-3-苯基-3-氯乙酰氨基-丙酸，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-乙酰氨基-丙酸，测定ee值为90％；萃取后的水层用1MNaOH溶液调节pH为9.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为2-3，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得R-3-苯基-3-N-Boc-丙酸.测定ee值为99％，转化率为45％。R-3-苯基-3-N-Boc-丙酸加入适量6MHCl，室温反应2小时，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，30℃反应1小时，得白色固体，为R-3-苯基-3氨基-丙酸，得0.5克，产率80％。
c、氨基酰化酶1(porcine kidney acylase I)催化的拆分
1克，约5mmolS-3-苯基-3-氯乙酰氨基-丙酸，溶于20mLNaOH溶液，调节pH为7.8-8.0。40℃反应温度下加入10mg氨基酰化酶1(porcine kidney acylaseI)，5分钟后，底物完全反应，拆分后的反应液用1MNaOH溶液调节pH为9.0，加入适量的Boc20(碳酸二叔丁酯)，室温反应1小时。1MHCl调节pH为1，MTBE(甲基叔丁基醚)萃取，在旋转蒸发仪上蒸干得S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸。S-3-苯基-3-N-Boc-丙酸加入适量6MHCl，室温反应2小时，蒸干水，溶于乙醇，加入适量环氧丙烷，30℃反应1小时，得白色固体，为S-3-苯基-3氨基-丙酸，得0.45克，产率70％，ee值为99％。ee值用HPLC确定。
用氯乙酰基，不会影响反应速度，而且因为减小了极性，使底物与产物更容易分离。
综上所述，本发明通过将β-氨基酸N酰化后，通过酶解，其中一种构型的N酰化β-氨基酸的酰基被水解，而它的对应体不发生酰基水解反应，然后，根据上述物质的脂水溶解性质的差异，用萃取的方法进行分离，进而得到相应的光学纯的β-氨基酸；然后，选择另外一种酶再将它的对应体N酰化β-氨基酸的酰基水解，得到相应的另外一种光学纯的β-氨基酸。本发明方法稳定，环保，安全，低成本、生产条件温和，同时光学纯度高达99.9％，此发明为工业化生产光学纯的β-氨基酸提供了一种新的途径。
Claims (1)
1.一种拆分β-氨基酸的方法，该方法是将β-氨基酸N酰化后，修饰后的β-氨基酸酰化酶选择性的催化水解S构型N-苯乙酰基β-氨基酸，得到游离的S构型β-氨基酸，而R构型的N-苯乙酰基β-氨基酸分离后采用青霉素G酰基转移酶水解得到游离的R构型β-氨基酸；所述修饰后的β-氨基酸酰化酶为β-氨基酸酰化酶采用PEG的2吡啶基二硫衍生物修饰，使PEG通过二硫键直接连接到酶蛋白的巯基上得到，其特征在于包括以下步骤：
a、合成消旋体化合物N酰化β-氨基酸；
b、β-氨基酸酰化酶的修饰；
PEG与2吡啶基二硫联结成衍生物，将酶蛋白置于缓冲液中，加入PEG的2吡啶基二硫衍生物，0-5℃缓慢搅拌10-20小时，再用石油醚萃取，除去石油醚，得到修饰酶；
c、消旋体化合物N酰化β-氨基酸，于pH为7.0-8.0，在30-50℃反应温度下加入修饰后的β-氨基酸酰化酶，1-10小时后结束反应，调节pH为1，疏水性溶剂萃取，水相为S-β-氨基酸；有机相为R-N酰化β-氨基酸，蒸干后得到R-N酰化β-氨基酸；
d、R-N酰化β-氨基酸，溶于氢氧化钠溶液，调节pH为7.5-8.0，在20-30℃反应温度下加入青霉素G酰基转移酶，1-10小时后，结束反应得到R-β-氨基酸。
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