CN103703138A - 采用脂肪酶自β-内酯产生L-肉碱的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的主题是产生L-肉碱的方法,其中使β-内酯转变为L-肉碱,其中方法包括使β-内酯酶促转变为(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯,所述β-内酯是4-(卤代甲基)氧杂环丁烷-2-酮。
Description
【技术领域】
本发明涉及产生L-肉碱的方法。
【背景技术】
肉碱(维生素Bt;3-羟基-4-三甲基铵基-丁酸盐)是自氨基酸赖氨酸及甲硫氨酸生物合成的季铵化合物。在活细胞中,需要其在脂质破裂期间将脂肪酸自胞质溶胶运输至线粒体,用于产生代谢能量。其被用作营养物补充物。肉碱以2种立体异构体存在。有生物学活性的形式是L-肉碱,而其对映异构体,D-肉碱,无生物学活性。当以工业方法产生L-肉碱时,期望以高纯度产生有生物学活性的L-型。
对于L-肉碱的工业生产描述了各种方法。已知微生物方法,其中直接由细菌产生L-肉碱。在其他方法中,由有机合成产生外消旋体,并随后分离为对映异构体。
而且,已尝试直接自手性前体合成L-肉碱。一组潜在前体是手性环状内酯。由于在原理上知道获得手性内酯的方法,L-肉碱在内酯环的水解后是可利用的。
US5,473,104公开了自(S)-3-羟基丁内酯制备L-肉碱的方法。该方法是2-步骤方法,其中在第1步骤中将(S)-3-羟基丁内酯转变为对应羟基-活化的内酯,而维持环结构。在第2步骤中,打开活化的内酯环,并用三甲基胺导入三甲基铵基团。总之,反应相对复杂,因为需要用苛刻的化学品活化中间体。
CH680 588A5公开了自β-内酯前体产生L-肉碱的方法,其中在2-步骤过程中将手性2-氧杂环丁烷酮转变为L-肉碱。在第1步骤中,使4-(氯甲基)-2-氧杂环丁烷酮经历水解步骤,其中打开环,并获得4-氯-3-羟基丁酸。在随后步骤中,用三甲基胺将酸转变为L-肉碱。但是,手性β-内酯的产生需要相对复杂的重金属催化剂,且产率常常不足。
Nelson&Spencer(J.Org.Chem.2000,65,1227-1230)公开了由酶法拆分用脂肪酶自β-内酯外消旋体获得对映体富集的β-内酯的方法。使用的底物是各种烷基-及芳基-β-内酯外消旋体。如总结于表1,产率仅对有限数量的反应是足够的。对映立体选择性强烈依赖于β-内酯的取代基,且小取代基甲基的对映体产率是非常低的(表1)。反应需要有机溶剂,诸如苄基醇,其由于环境原因,对于工业应用是不期望的。反应时间相对长(通常是72小时)。
US2006/0046286公开由酶促酯化自β-内酯获得手性β-丁内酯及3-羟基羧酸酯的方法。至于Nelson&Spencer,推荐使用脂肪酶。反应需要有机溶剂,诸如甲苯,及约16小时的相对长的反应时间。底物是β-丁内酯。在多数实验中,底物不是外消旋体,而是有光学活性的(R)-β-丁内酯。特定反应通常以增强的对映体纯度产生(R)-β-丁内酯,然而(S)-3-羟基丁酸酯,如果有,仅以相对低量获得(实施例1,6,7)。
由于对映体纯L-肉碱是重要工业产物,期望提供进一步有效的产生方法。特别是,期望提供以相对简单方式、以高总产率及对映体产率产生L-肉碱的方法。
【发明要解决的技术问题】
本发明要解决的技术问题是提供产生L-肉碱的方法,其克服上述的缺点。特别是,技术问题是提供有效及简单产生L-肉碱的方法。
总产率以及手性产率应高。方法步骤数应相对低,且方法应不需要复杂的设备。总之,方法应具有高的原子经济性,且应是成本及人力有效的。使用的化学品应是容易可利用的,且应不是太昂贵的。
本发明要解决的另一问题是提供温和的方法,其避免苛刻的条件及苛刻的化学品。应避免影响环境的化学品,诸如有机溶剂或重金属,或可影响工人健康的那些,诸如芳族溶剂。应避免虽然可作为痕量杂质存在于产物中,但必需去除的重金属催化剂。特别是,应使用不包含贵金属,诸如铂的昂贵的催化剂。总体能量输入应低。特别是,反应应在相对低温及经相对低反应时间实施。
【发明内容】
意外地,由权利要求的方法解决了本发明要解决的技术问题。贯穿说明书公开了进一步的本发明的实施方式。
本发明的主题是产生L-肉碱的方法,其中使β-内酯转变为L-肉碱,其中方法包括使β-内酯酶促转变为(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯,所述β-内酯是4-(卤代甲基)氧杂环丁烷-2-酮。
所述肉碱是L-肉碱((R)-肉碱,左卡尼汀)。L-肉碱是肉碱的有生理学活性的立体异构体。酶促转变的反应产物是(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或其酯,依赖于是在水性介质或在醇中实施酶促转变。此中间产物可在随后反应步骤中转变为L-肉碱。如对于对应L-肉碱,酸或酯的手性碳构型是(R)。由此,可通过由三甲基铵基利用亲核取代来取代中间体的卤素原子,而手性保持未受影响来简单实施随后转变为L-肉碱。
在本发明的具体实施方式中,β-内酯是4-(氯甲基)氧杂环丁烷-2-酮,4-(溴甲基)氧杂环丁烷-2-酮或4-(碘甲基)氧杂环丁烷-2-酮。优选使用4-(氯甲基)氧杂环丁烷-2-酮。
优选地,酶对于β-内酯的(R)-异构体是立体选择性的。换言之,优选酶唯独地,或至少主要地,将(R)-内酯转变为对应(R)-酸或酸酯。由此,当底物是β-内酯外消旋体,或至少包含(S)-β-内酯及(R)-内酯时,酶选择性地将(R)-β-内酯转变为对应(R)-酸或酸酯,然而(S)-β-内酯保持未受影响或基本上未受影响。由此,在反应混合物中保持及蓄积对应(S)-β-内酯。由此,在产物中富集(R)-酸或酸酯。而且,会在产物中富集(S)-β-内酯。二种化合物可由于它们在水及有机溶剂中的不同溶解度而彼此分离。当自β-内酯外消旋体起始时,理想酶促反应会产生50%Mol-%(R)-酸或酸酯(100%ee的光学纯度)及50Mol-%的残留的(S)-β-内酯的混合物,随后会将其从混合物除去。
在本发明的优选的实施方式中,β-内酯是外消旋体。优选地,获得对映体过量的(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯。对映体过量(关于(S)-4-卤代-3-羟基丁酸或酯)优选是高于80%,更优选高于90%、95%或99%对映体过量(ee)。
酶促转变在溶剂的存在下实施。优选地,溶剂包含水。水可以1-相系统或2-相系统存在。在水存在下,获得(R)-4-卤代-3-羟基丁酸。酶促转变则是酶促水解。酶促水解的结果,获得(R)-4-氯-3-羟基丁酸,(R)-4-溴-3-羟基丁酸或(R)-4-碘-3-羟基丁酸。
优选地,溶剂仅是水。当使用水作为溶剂时,初始反应混合物是溶液或悬浮液。在此实施方式中,反应混合物优选是1-相系统,其中未观察到水相及液体有机相之间的清楚的相分离。
在本发明的另一优选的实施方式中,在2相系统中实施酶促转变,其中在水相中富集(R)-4-卤代-3-羟基丁酸。在2-相系统中,在有机相中富集相对非-极性的β-内酯底物,而在水相中富集离子酸产物。由此在结束反应之后,相可被分离,且水相已包含相对纯产物。有机相可包含任何溶剂,其中β-内酯是高度可溶性的,而酸的可溶性差。与此相比,水性介质中的1-相系统总体需要更少有机溶剂,由此由于经济及环境原因是有利的。
溶剂的实例包括烃,诸如脂肪族烃诸如戊烷,己烷,庚烷,辛烷,癸烷及环己烷,芳族烃诸如甲苯及二甲苯;卤化的烃诸如二氯甲烷,1,2-二氯乙烷,氯仿,四氯化碳及邻-二氯苯;醚诸如二乙基醚,二异丙基醚,叔-丁基甲基醚,二甲氧基乙烷,乙二醇二乙基醚,四氢呋喃,1,4-二噁烷及1,3-二氧杂环戊烷;酰胺诸如甲酰胺;亚砜诸如二甲基亚砜。
在本发明的另一实施方式中,溶剂是醇,优选包含1~5个碳原子的醇,更优选甲醇、乙醇或丙醇。当在醇中及在水缺失下实施酶促转变时,产物是线性酯。随后,当酯转变为L-肉碱时,其是被去-酯化的。
在本发明的优选的实施方式中,在酶促转变之后,从溶液除去残留的β-内酯。优选地,通过用溶剂萃取来除去残留的β-内酯。例如,当在一-相系统中实施溶液时,残留的β-内酯可用酯,诸如乙酸乙酯,或用己烷萃取。优选地,实施用相对低量的溶剂的多次萃取。
在优选的实施方式中,酶是水解酶(酶学委员会编号EC3)。水解酶自底物由水解产生2种产物。优选地,水解酶是酯酶(EC3.1)或肽酶(EC3.4)。酯酶是将酯水解为酸及醇的水解酶,诸如脂肪酶。肽酶(蛋白酶)是进行蛋白质水解(即,水解肽键)的酶。
在本发明的优选的实施方式中,酶是脂肪酶。脂肪酶对于(R)-β-内酯是选择性的。优选地,脂肪酶来自真菌、酵母或细菌。此意为所述生物是脂肪酶的来源。但是,脂肪酶可为人工的、尤其重组体脂肪酶。该脂肪酶是可商购的,例如购自公司Novozymes、Amano Enzyme或Nagase。
优选地,酶是三酰甘油脂肪酶。该3.1.1.3类酶的脂肪酶催化甘油三酯水解为脂肪酸及甘油。
来自真菌、酵母或细菌的脂肪酶常常作为无活性前体体内合成。这些前体经处理及分泌。该脂肪酶是一般细胞外脂肪酶。通过切割下N-端肽,诸如信号肽或前肽产生成熟蛋白。根据本发明,脂肪酶优选是成熟脂肪酶。换言之,其优选是有活性的形式。本发明的方法优选是体外方法。
脂肪酶可包含氨基酸Ser-His-Asp的催化性三联体。例如,该脂肪酶见于酵母,诸如假丝酵母属(Candida)。
在本发明的优选的实施方式中,脂肪酶来自假丝酵母属(Candida),假单胞菌属(Pseudomonas),曲霉属(Aspergillus),芽孢杆菌属(Bacillus)或嗜热丝孢菌属(Thermomyces)。脂肪酶可为该脂肪酶的衍生物,优选具有至少75%、优选至少90%的序列同一性的衍生物。
优选地,脂肪酶来自假丝酵母属(Candida),假单胞菌属(Pseudomonas)或曲霉属(Aspergillus)。更优选地,脂肪酶来自洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepacia)(洋葱伯克霍尔德氏菌(Burkholderia cepacia))、荧光假单胞菌(Pseudomonas fluorescens)或南极假丝酵母(Candida antarctica)。脂肪酶可为该脂肪酶的衍生物,优选具有至少75%、优选至少90%的序列同一性的衍生物。
衍生物可由氨基酸取代、缺失、插入或修饰获得。优选地,衍生物由重组DNA修饰方法获得。该重组脂肪酶可相比它们的天然前体具有更高稳定性及效率。
尤其优选的是来自洋葱假单胞菌的脂肪酶和/或来自南极假丝酵母的脂肪酶B。发现这些酶以高的总产率及对映体产率提供期望的产物。
在高度优选的实施方式中,酶是SEQ ID NO:1的自洋葱假单胞菌的脂肪酶(UniProt标识号P22088[45-364];Joergensen et al.,J.Bacteriol.1991;173,p559-567)。成熟蛋白是具有320个氨基酸的蛋白质。其源于包含信号肽及前肽的364个氨基酸的前体。
在另一优选的实施方式中,酶是具有不同于SEQ ID NO:1的氨基酸序列的来自洋葱假单胞菌的脂肪酶。洋葱假单胞菌(P.cepacia)包含几种脂肪酶,其具有与SEQ ID NO:1具有高同源性的氨基酸序列。例如,酶可为洋葱假单胞菌碱性脂肪酶(NCBI Acc.No:ABX71757.1;Dalal et al.,J.Biotechnol.Appl.Biochem.2008;51,p23-31)。此碱性脂肪酶与SEQ ID NO:1的脂肪酶具有约98%序列同一性。酶也可为洋葱假单胞菌脂肪酶(Genbank:ABN09945.1;Yanget al.,J.Mol.Catal.,B Enzym.2007;45,p91-96)。此脂肪酶与SEQ IDNO:1的脂肪酶具有约92%序列同一性。
SEQ ID NO:2的自南极假丝酵母的脂肪酶B(UniProt标识符P41365[26-342])是具有317个氨基酸的蛋白质。成熟蛋白源于包含信号肽及前肽的342个氨基酸的前体。
优选地,衍生物是SEQ ID NO:1的自洋葱假单胞菌的脂肪酶和/或SEQ ID NO:2的自南极假丝酵母的脂肪酶B的衍生物,优选与SEQID NO:1和/或SEQ ID NO:2具有至少75%、优选至少90%的序列同一性的衍生物。如本文所用,序列同一性优选由BLAST根据标准参数测定。可由氨基酸取代、缺失、插入或修饰获得的该脂肪酶的衍生物,及获得该衍生物的方法,为本领域所知。例如,具有增加的催化性活性的来自洋葱假单胞菌的脂肪酶B的衍生物及它们的产生方法公开于Puech-Guenot et al.,J.Biomol.Screen.2008;13(1),p72-79。具有增加的催化性活性的来自南极假丝酵母的脂肪酶B的衍生物及它们的产生方法公开于Qian et al.,J.Mol.Biol.2009;393;p191-201。
在本发明的优选的实施方式中,在0℃和50℃之间、优选20℃和40℃之间、特别约25℃或约30℃之间的温度实施酶促转变。考虑到使用的具体酶来调整温度。
在本发明的优选的实施方式中,在包含0.1~50重量%β-内酯,更优选0.1和10重量%之间或0.5和3重量%之间的β-内酯的水溶液中实施酶促转变。
在适当的缓冲剂中实施反应。使缓冲剂适应于使用的具体酶。通常,pH会是大致中性,例如5和9之间,或7和8之间。如果必需,可在反应期间通过添加碱或酸来使pH保持稳定。
在优选的实施方式中,反应混合物由缓冲剂,酶及β-内酯组成。可添加添加剂,例如增强酶的稳定性或更新的那些,诸如盐,金属离子或辅因子。总之,反应需要仅少量的化学品,且可以相对简单方式在温和的温度实施。
当获得期望的量的酸或酸酯时,终止反应。反应可通过去除酶,例如通过过滤终止。当使用β-内酯外消旋体作为底物及高度选择性的酶时,达50%的β-内酯可转变为对应(R)-酸或(R)-酸酯。在去除及分离之后,残留的(S)-β-内酯可用于其他反应。
反应时间可在1~50小时之间,优选2~20小时之间。发现用一些酶可在10小时之内、特别在8小时之内达到有效更新。
用于实施发明的开环反应的单-卤化的β-内酯为本领域所知。考虑到酶的立体选择性,β-内酯外消旋体可用于本发明的方法。单-卤化的β-内酯是可例如由对应环氧化物的低压羰基化获得的,如公开于US2007/0213524A1,或起始于不饱和的酸使用Lewis酸及次氯酸盐,如描述于Lopez-Lopez,Jose;Tetrahedron Letters2007,48(10),1749-1752。
在本发明的优选的实施方式中,在催化剂存在下由[2+2]环加成反应获得手性4-(卤代甲基)氧杂环丁烷-2-酮。在本发明的特定实施方式中,使用手性β-内酯。此可增加在本发明的反应中的对映体产率。手性β-内酯可在手性催化剂的存在下由乙烯酮与醛X-CH2-CHO的[2+2]环加成获得,其中X选自Cl、Br及I。乙烯酮(ketene或ethenone,式C2H2O)是无色气体,其由于分子中的2个相邻双键而是高度反应性的。
在本发明的优选的实施方式中,使酶促转变中获得的4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯随后用三甲基胺(TMA)转变为L-肉碱。优选地,卤素原子在亲核取代反应中被三甲基胺基取代。可使TMA与β-内酯在碱存在下接触。碱可在使β-内酯与TMA接触之后添加。
在本发明的方法的优选的实施方式中,β-内酯在2-步骤方法中转变为L-肉碱。在第1步骤中,使4-(氯甲基)-2-氧杂环丁烷酮经历酶促水解,其中β-内酯环被打开,并获得4-氯-3-羟基丁酸。在随后步骤中,用三甲基胺将所述酸、酯转变为L-肉碱。
本发明的合成L-肉碱的例示方法显示于以下方案1。方法包括乙烯酮及式Cl-CH2-CHO的醛的[2+2]环加成。使得到的β-内酯外消旋体1经历酶促环切割反应而产生对应(R)-酸2a(在水作为溶剂中)或(R)-酯2b(在醇中)。然后用TMA使酸2a或酯2b转变为L-肉碱。
【方案1:L-肉碱的合成】
在本发明的优选的实施方式中,使TMA在过程中再循环。由于TMA是可以气体形式利用的,可使其通过反应流体,收集及再循环。在反应培养基中,溶解的TMA可在反应结束之后从混合物分离(例如通过蒸馏),并再导入过程中。优选地,在循环过程中将TMA再导入反应通路。TMA是以纯气体形式(Fluka Chemicals)或10~40wt.%水溶液形式可商购的。反应混合物中的TMA量可在1和3当量之间,优选在1和2.5当量之间。但是,TMA的量及过量相比金属氢氧化物的量是欠关键的,因为其可在反应期间再循环及再导入反应室。
本发明的另一主题是产生(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯的方法,其中所述方法包括使β-内酯,其是4-(卤代甲基)氧杂环丁烷-2-酮,酶促转变为(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯。这些反应产物是对于产生L-肉碱有价值的中间体。它们可在简单亲核取代中转变为L-肉碱,其中手性保持未受影响。此外,它们可用于其他有机化合物或L-肉碱的衍生物的合成。
在本发明的优选的实施方式中,在酶促转变中,(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯的总产率在基于β-内酯总初始量的40%及50%之间,和/或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯的对映体纯度是至少90%、更优选至少95%。
【发明效果】
本发明的方法解决了本发明要解决的问题。所述方法相对简单且经济,且需要仅少量的过程步骤。由此避免了副反应,且总产率及对映体产率高。由于酶促转变可使用酶法拆分,可自β-内酯外消旋体起始。由此,使用昂贵的手性反应物不是必需的。
反应条件是温和的,因为无需苛刻的化学品,诸如重金属催化剂,或高量的有机溶剂。方法需要相对低量的加热能量。原理上,仅酶是作为添加剂必需的,其可容易去除,且通常是非-危险的。由此,中间体尤其可应用于产生食品添加剂L-肉碱。
【实施例】
在1-相水性系统中实施酶法拆分。底物是4-(氯甲基)氧杂环丁烷-2-酮外消旋体,其转变为由以下方案2例证的(R)-4-氯-3-羟基丁酸及残留的(S)-β-内酯的混合物。
【方案2:根据实施例的β-内酯外消旋体的酶法拆分】
【分析学】
在Lipodex E柱上由气相层析(GC)监测反应。在Lipodex E柱上由GC分析4-(氯甲基)-2-氧杂环丁烷酮1。使用手性、荧光试剂衍生4-氯-3-羟基丁酸2。由HPLC使用ODS-柱及荧光检测分析反应混合物。
【实施例1~5】
向12.5mg酶在5.0mL磷酸钾缓冲液中的溶液或悬浮液(0.1M,pH7.5)添加50mg4-(氯甲基)-2-氧杂环丁烷酮1,将反应混合物于30℃搅拌。用0.5M KOH将pH连续调整至7.5。以规则间隔,取200μL样品,用400μL乙酸乙酯萃取,过滤及由手性GC分析。在(R)-对映异构体完全水解之后,将酶离心掉,并将反应混合物用5.0mL乙酸乙酯萃取两次。作为水溶液获得(R)-4-氯-3-羟基丁酸2。用不同脂肪酶实施反应,如总结于下表1。转变及对映体纯度显示于表1。以高对映体纯度获得(S)-1及(R)-2二者。于30℃的反应时间仅在4~8小时之间。
表1:实施例1~5的条件及结果的总结。
Claims (15)
1.产生L-肉碱的方法,其中使β-内酯转变为L-肉碱,所述方法包括使β-内酯酶促转变为(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯,所述β-内酯是4-(卤代甲基)氧杂环丁烷-2-酮。
2.前述权利要求之至少一项的方法,其中β-内酯是外消旋体。
3.权利要求2的方法,其中获得对映体过量的(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯。
4.前述权利要求之至少一项的方法,其中在水性介质中实施酶促转变,并获得(R)-4-卤代-3-羟基丁酸。
5.前述权利要求之至少一项的方法,其中在两相溶液中实施酶促转变,其中在水相中富集(R)-4-卤代-3-羟基丁酸。
6.前述权利要求之至少一项的方法,其中,在酶促转变之后,从溶液除去残留的β-内酯。
7.权利要求6的方法,其中通过用溶剂萃取来除去残留的β-内酯。
8.前述权利要求之至少一项的方法,其中所述酶是脂肪酶。
9.前述权利要求之至少一项的方法,其中所述脂肪酶来自假丝酵母属(Candida)、假单胞菌属(Pseudomonas)、曲霉属(Aspergillus)、芽孢杆菌属(Bacillus)或嗜热丝孢菌属(Thermomyces),或具有至少75%、优选至少90%的序列同一性的该脂肪酶的衍生物。
10.前述权利要求之至少一项的方法,其中脂肪酶来自洋葱假单胞菌(Pseudomonas cepacia)、荧光假单胞菌(Pseudomonasfluorescens)、南极假丝酵母(Candida antarctica),脂肪酶优选具有SEQ ID NO:1或SEQ ID NO:2的氨基酸序列,或具有至少75%、优选至少90%的序列同一性的该脂肪酶的衍生物。
11.前述权利要求之至少一项的方法,其中在0℃和50℃之间,优选在20℃和40℃之间的温度实施酶促转变,和/或其中在包含0.1~10重量%β-内酯的水溶液中实施酶促转变。
12.前述权利要求之至少一项的方法,其中在乙烯酮和式X-CH2-CHO的醛的[2+2]环加成中的在前步骤中合成β-内酯,其中X选自Cl、Br及I。
13.前述权利要求之至少一项的方法,其中用三甲基胺使酶促转变中获得的4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯转变为L-肉碱。
14.前述权利要求之至少一项的方法,其中酶促转变中(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯的总产率在基于β-内酯总初始量的40%及50%之间,和/或其中(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯的对映体纯度是至少90%。
15.产生(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯的方法,其中方法包括β-内酯酶促转变为(R)-4-卤代-3-羟基丁酸或(R)-4-卤代-3-羟基丁酸酯,所述β-内酯是4-(卤代甲基)氧杂环丁烷-2-酮。
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